Java 的 BIO 與 NIO

一、問題

BIO 和 NIO 作爲 Server 端，當建立了 10 個連接時，分別產生多少個線程？

答案： 因爲傳統的 IO 也就是 BIO 是同步線程堵塞的，所以每個連接都要分配一個專用線程來處理請求，這樣 10 個連接就會創建 10 個線程去處理。而 NIO 是一種同步非阻塞的 I/O 模型，它的核心技術是多路複用，可以使用一個鏈接上的不同通道來處理不同的請求，所以即使有 10 個連接，對於 NIO 來說，開啓 1 個線程就夠了。

二、BIO 代碼實現

public class DemoServer extends Thread {
    private ServerSocket serverSocket;
    public int getPort() {
        return  serverSocket.getLocalPort();
    }
    public void run() {
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(0);
            while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                requestHandler.start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (serverSocket != null) {
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DemoServer server = new DemoServer();
        server.start();
        try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new                   InputStreamReader(client.getInputStream()));
            bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
        }
    }
 }
// 簡化實現，不做讀取，直接發送字符串
class RequestHandler extends Thread {
    private Socket socket;
    RequestHandler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
            out.println("Hello world!");
            out.flush();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 }
複製代碼

• 服務器端啓動 ServerSocket，端口 0 表示自動綁定一個空閒端口。
• 調用 accept 方法，阻塞等待客戶端連接。
• 利用 Socket 模擬了一個簡單的客戶端，只進行連接、讀取、打印。
• 當連接建立後，啓動一個單獨線程負責回覆客戶端請求。

這樣，一個簡單的 Socket 服務器就被實現出來了。

(圖片來源於楊曉峯)

三、NIO 代碼實現

public class NIOServer extends Thread {
    public void run() {
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 創建 Selector 和 Channel
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
            serverSocket.configureBlocking(false);
            // 註冊到 Selector，並說明關注點
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();// 阻塞等待就緒的 Channel，這是關鍵點之一
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                   // 生產系統中一般會額外進行就緒狀態檢查
                    sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
        try (SocketChannel client = server.accept();) {          client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
        }
    }
   // 省略了與前面類似的 main
}

複製代碼

首先，通過 Selector.open() 創建一個 Selector，作爲類似調度員的角色。

然後，創建一個 ServerSocketChannel，並且向 Selector 註冊，通過指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告訴調度員，它關注的是新的連接請求。注意：爲什麼我們要明確配置非阻塞模式呢？這是因爲阻塞模式下，註冊操作是不允許的，會拋出 IllegalBlockingModeException 異常。

Selector 阻塞在 select 操作，當有 Channel 發生接入請求，就會被喚醒。

在 sayHelloWorld 方法中，通過 SocketChannel 和 Buffer 進行數據操作，在本例中是發送了一段字符串。

可以看到，在前面兩個樣例中，IO 都是同步阻塞模式，所以需要多線程以實現多任務處理。而 NIO 則是利用了單線程輪詢事件的機制，通過高效地定位就緒的 Channel，來決定做什麼，僅僅 select 階段是阻塞的，可以有效避免大量客戶端連接時，頻繁線程切換帶來的問題，應用的擴展能力有了非常大的提高。下面這張圖對這種實現思路進行了形象地說明。

(圖片來源於楊曉峯)