Java网络编程——NIO的阻塞IO模式非阻塞IO模式IO多路复用模式的使用

Posted 2022-11-04 胡玉洋　

NIO虽然称为Non-Blocking IO（非阻塞IO），但它支持阻塞IO、非阻塞IO和IO多路复用模式这几种方式的使用。

同步IO模式

NIO服务器端

@Slf4j
public class NIOBlockingServer 

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(true); // 设置SocketChannel为阻塞模式（默认就是阻塞模式）
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        while (true) 
            // 如果没有接收到新的线程，这里会阻塞，无法及时处理其他已连接Channel的请求
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            log.info("receive connection from client. client:",socketChannel.getRemoteAddress());
            socketChannel.configureBlocking(true); // 设置SocketChannel为阻塞模式（默认就是阻塞模式）
            // 如果读不到数据，这里会阻塞，无法及时处理其他Channel的请求
            int length = socketChannel.read(byteBuffer);
            log.info("receive message from client. client: message:",socketChannel.getRemoteAddress(),new String(byteBuffer.array(),0,length,"UTF-8"));
            byteBuffer.clear();
        
    
    

NIO客户端

@Slf4j
public class NIOClient 

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) 
        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();
        try 
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            log.info("client connect finished");
            ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap("hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            socketChannel.write(writeBuffer);
            log.info("client send finished");
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            socketChannel.close();
        
    
    

NIO阻塞模式的使用，乍一看怎么跟BIO的使用方法很像？不是很像，简直是一模一样~

按照 《Java网络编程——BIO(Blocking IO)》 中的步骤：

• 以Run模式启动NIO服务端
• 在客户端的 socketChannel.write(writeBuffer);处打上断点，以Debug模式运行一个客户端A，执行到断点时，服务端已经接收到客户端A的请求（在控制台打印了 receive connection from client. client:/127.0.0.1:64334 ）
• 再以Debug模式运行一个客户端B，服务端没反应，因为这时客户端A还没发送数据，所以服务端目前是在 int length = socketChannel.read(byteBuffer) 的地方阻塞了（还在等着接收客户端A发送数据）
• 再以Debug模式运行一个客户端C，服务端同样没反应
• 让客户端A继续运行完，发现服务端读取到客户端A的数据（打印了receive message from client. client:/127.0.0.1:64334 message:hello ）后，才能接收到客户端B的连接（打印了receive connection from client. client:/127.0.0.1:64358 ）
• 让客户端B继续运行完，发现服务端读取到客户端B的数据（打印了receive message from client. client:/127.0.0.1:64358 message:hello ）后，才能接收到客户端C的连接（打印了receive connection from client. client:/127.0.0.1:64369 ）

因此，NIO的阻塞IO模式跟BIO一样，最大的缺点就是阻塞。

异步IO模式

通过前面的学习我们知道，异步IO和同步IO最大的区别就是：
同步IO在做完一件事（比如：处理客户端连接请求+写请求）之前，只能等待，无法做其他事情；
而异步是在客户端某个事件没有就绪时，我服务端可以先处理其他的客户端请求，不用一直等着。

BIO服务端

@Slf4j
public class NIONonBlockingServer 

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException 
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        List<SocketChannel> socketChannelList = new ArrayList<>();
        while (true) 
            // 如果没有接收到新的线程，这里不会阻塞，会返回null，可以让线程继续处理其他Channel的请求
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (Objects.nonNull(socketChannel)) 
                log.info("receive connection from client. client:", socketChannel.getRemoteAddress());
                socketChannel.configureBlocking(false);
                socketChannelList.add(socketChannel);
            
            for (SocketChannel channel : socketChannelList) 
                // 如果没有读到数据，这里也不会阻塞，会返回0，表示没有读到数据，可以让线程继续处理其他Channel的请求
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
                int length = channel.read(byteBuffer);
                if (length > 0) 
                    log.info("receive message from client. client: message:", channel.getRemoteAddress()
                            , new String(byteBuffer.array(), 0, length, "UTF-8"));
                
                byteBuffer.clear();
            
            // 为了避免没有客户端请求时循环过于频繁，把所有就绪的事件循环处理完后，停顿1秒再继续执行
            Thread.sleep(1000);
        
    
    

NIO客户端

@Slf4j
public class NIOClient 

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) 
        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();
        try 
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            log.info("client connect finished");
            ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap("hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            socketChannel.write(writeBuffer);
            log.info("client send finished");
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            socketChannel.close();
        
    
    

• 以Run模式启动NIO服务端
• 在客户端的 socketChannel.write(writeBuffer);处打上断点，以Debug模式运行一个客户端A，执行到断点时，服务端已经接收到客户端A的请求（在控制台打印了 receive connection from client. client:/127.0.0.1:53004 ）
• 再以Debug模式运行一个客户端B，服务端也接收到客户端B的请求（在控制台打印了 receive connection from client. client:/127.0.0.1:53032 ）
• 再以Debug模式运行一个客户端C，服务端也接收到客户端B的请求（在控制台打印了 receive connection from client. client:/127.0.0.1:53032 ）
  如下图：
  
  继续运行客户端A、B、C，可以看到服务端也可以正常接收它们发来的数据：

2022-07-30 16:31:07.987 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive connection from client. client:/127.0.0.1:53004
2022-07-30 16:31:13.014 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive connection from client. client:/127.0.0.1:53032
2022-07-30 16:31:18.039 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive connection from client. client:/127.0.0.1:53060
2022-07-30 16:33:12.919 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive message from client. client:/127.0.0.1:53004 message:hello
2022-07-30 16:33:18.940 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive message from client. client:/127.0.0.1:53032 message:hello
2022-07-30 16:33:19.942 INFO  [danny-codebase,,,,,main] com.code.io.blog.NIONonBlockingServer  - receive message from client. client:/127.0.0.1:53060 message:hello

NIO非阻塞模式这种用法跟 《Java网络编程——BIO(Blocking IO)》 中说的BIO多线程处理请求的方式类似，让服务端可以同时处理多个客户端请求，即使某一个客户端的读/写事件未就绪也不会阻塞线程（比如上面服务端执行serverSocketChannel.accept()时如果没有客户端连接不会阻塞而是会返回null；执行channel.read(byteBuffer)时如果读不到数据不会阻塞而是会返回0），而是会继续处理其他客户端的请求。

需要注意的是，这里的非阻塞，是指serverSocketChannel执行accept()、socketChannel执行read()时是非阻塞的（会立刻返回结果）。但是在客户端有就绪事件，处理客户端的请求时，比如服务端接收客户端连接请求的过程、服务端读取数据（数据拷贝）的过程，是阻塞的。

IO多路复用模式

看完NIO非阻塞模式的使用方法你是不是就觉得万无一失了？No！这种方式也有一个很大的缺点就是，当一直没有客户端事件就绪时，服务端线程就会一直循环，白白占用了CPU资源，所以上面代码中为了减小CPU消耗，在每次处理完所有Channel的就绪事件后，会调用Thread.sleep(1000);让服务端线程休息1秒再执行。那有没有什么方法可以在没有客户端事件就绪时，服务端线程等待，当有了请求再继续工作呢？

有，那就是IO多路复用模式，相对于上面的非阻塞模式，IO多路复用模式主要是引入了Selector选择器，且需要把Channel设置为非阻塞模式（默认是阻塞的）。

在 《Java网络编程——NIO(Non-Blocking IO)组件》 中说到，Selector可以作为一个观察者，可以把已知的Channel（无论是服务端用来监听客户端连接的ServerSocketChannel，还是服务端和客户端用来读写数据的SocketChannel）及其感兴趣的事件（READ、WRITE、CONNECT、ACCEPT）包装成一个SelectionKey，注册到Selector上，Selector就会监听这些Channel注册的事件（监听的时候如果没有事件就绪，Selector所在线程会被阻塞），一旦有事件就绪，就会返回这些事件的列表，继而服务端线程可以依次处理这些事件。

服务端例子如下：

@Slf4j
public class NioselectorServer 

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080), 50);
        Selector selector = Selector.open();
        SelectionKey serverSocketKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) 
            // 从Selector中获取事件（客户端连接、客户端发送数据……），如果没有事件发生，会阻塞
            int count = selector.select();
            log.info("select event count:" + count);
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); //
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) 
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                // 有客户端请求建立连接
                if (selectionKey.isAcceptable()) 
                    handleAccept(selectionKey);
                
                // 有客户端发送数据
                else if (selectionKey.isWritable()) 
                    handleRead(selectionKey);
                
                // select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 Selector 中的 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己手动删除
                iterator.remove();
            
        
    

    private static void handleAccept(SelectionKey selectionKey) throws IOException 
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        if (Objects.nonNull(socketChannel)) 
            log.info("receive connection from client. client:", socketChannel.getRemoteAddress());
            // 设置客户端Channel为非阻塞模式，否则在执行socketChannel.read()时会阻塞
            socketChannel.configureBlocking(false);
            Selector selector = selectionKey.selector();
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        
    

    private static void handleRead(SelectionKey selectionKey) throws IOException 
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(8);
        int length = socketChannel.read(readBuffer);
        if (length > 0) 
            log.info("receive message from client. client: message:", socketChannel.getRemoteAddress()
                    , new String(readBuffer.array(), 0, length, "UTF-8"));
         else if (length == -1) 
            // 客户端正常断开(socketChannel.close())时，在服务端也会产生读事件，且读到的数据长度为-1
            socketChannel.close();
            return;
        
    
    

SelectionKey表示一对Selector和Channel的关系，从SelectionKey中可以获得已经准备好数据的Channel。
SelectionKey.OP_ACCEPT —— 针对服务端，接收连接就绪事件，表示服务器监听到了客户连接
SelectionKey.OP_CONNECT —— 针对客户端，连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立就绪
SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作
SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）

• 以Debug模式启动服务端，初始化完ServerSocketChannel后，手动设置了ServerSocketChannel的阻塞模式为非阻塞，并且为ServerSocketChannel在Selector上注册了一个ACCEPT事件，当有客户端向服务端请求连接时会触发该事件。当执行到int count = selector.select();时，服务端阻塞，等待客户端连接
• 以Debug模式运行一个客户端A，当执行完socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));时，服务端selector.select()方法返回了就绪的IO事件数量为1（就是客户端A的请求连接事件）
• 当服务端接收到客户端A的连接后，把客户端连接——SocketChannel设置为非阻塞，并且在Selector实例上注册一个读事件，这时客户端连接SocketChannel会对读事件感兴趣，当这个客户端发送数据时，会唤醒Selector。当服务端下一次循环再次执行到int count = selector.select();时，会再次阻塞，等待客户端的IO事件
• 客户端A继续执行完socketChannel.write(writeBuffer);后，服务端selector.select()方法返回了就绪的IO事件数量为1（就是客户端A的写数据事件）
• 当服务端在读取客户端A的数据时（下次执行selector.select()之前），同时启动客户端B、客户端C（或者再多开几个线程，否则可能模拟不出来），等服务端下次执行selector.select()时，返回的就绪的IO事件数量可能有多个，然后可以根据 selectionKey.isAcceptable()、 selectionKey.isReadable()、selectionKey.isWritable()来分别处理对应的事件。

但是，如果客户端连接或读写时间过长，也只能一个一个处理。NIO只是把BIO中等待的时间（比如socket.getInputStream().read()）充分利用，为在多核CPU机器上的运行提高了效率，可以用多线程+NIO的IO多路复用模式来处理。

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转载请注明出处——胡玉洋 《Java网络编程——NIO的阻塞IO模式、非阻塞IO模式、IO多路复用模式的使用》