网络IO模型对比（BIONIOAIO）

Posted 2022-11-30 恒哥~Bingo

IO概述

软件开发的核心是数据，而数据的传输、保存、读取都是通过IO技术实现的。

Java中的IO模型主要有三种：

• BIO 同步阻塞式IO
• NIO 同步非阻塞式IO
• AIO 异步非阻塞式IO

BIO

Blocking IO 同步阻塞式IO，是比较常用的IO模型

特点是

• 编写相对简单
• 分为输入流和输出流
• 进行网络通讯时，输入流的读操作会阻塞住线程，直到有输出流执行写操作

一旦服务器的线程阻塞，服务器就不能处理其他客户端的业务，为解决这种问题，一般我们会为每个客户端单独启动线程。

这样造成了新的问题，就是如果客户端比较多，就会大量消耗服务器的线程资源，导致服务器压力过大。

所以这种模型比较适合连接数不大、数量相对固定的情况。

下面是使用BIO模型的Socket进行网络通信

/**
 * BIO服务器
 */
public class SocketServer 
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) 
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            //启动线程处理客户端IO
            new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    try 
                        handler(socket);
                     catch (IOException e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                
            ).start();
        
    

    /**
     * 处理客户端IO
     * @param socket
     * @throws IOException
     */
    private static void handler(Socket socket) throws IOException 
        System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
        byte[] bytes = new byte[1024];

        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，没有数据可读时就阻塞
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        if (read != -1) 
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
        
        //给客户端返回数据
        socket.getOutputStream().write("你好，客户端".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
    

/**
 * 客户端
 */
public class SocketClient 

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("服务器你好！！".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        socket.close();
    

NIO

jdk1.4出现了NIO（Noblocking IO 同步非阻塞式IO） ，与BIO不同的是，NIO进行读取操作时，不会阻塞线程

NIO有三大核心组件:

• Channel 通道，类似BIO的输入输出流的作用，不同IO流的是Channel同时可以完成读写操作
• Buffer 缓冲区，类似BIO中的byte数组，用于存放数据
• Selector 多路复用器，每个Channel都会注册到selector上，selector会在多个通道间轮询，一旦有读写事件出现就会立即进行处理

优点：单线程就可以处理大量的IO请求，这样就大大降低了服务器的压力。

缺点：如果每个IO请求处理时间比较长，会产生长时间排队的情况；编程也比较复杂。

比较适合处理连接数比较多并且时间较短的场景，如：聊天、发弹幕等。

服务器

public class Nioserver 

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        // 创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //必须配置为非阻塞才能往selector上注册
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 创建选择器
        Selector selector = Selector.open();
        // 注册到选择器上，对客户端连接操作感兴趣
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) 
            // 轮询监听channel里的key，select是阻塞的
            selector.select();
            System.out.println("事件发生");
            // 有客户端请求，被轮询监听到
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) 
                SelectionKey key = it.next();
                //删除本次已处理的key，防止下次select重复处理
                it.remove();
                handle(key);
            
        
    

    /**
     * 事件处理
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException 
        //处理连接事件
        if (key.isAcceptable()) 
            System.out.println("处理连接事件");
            //获得ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //获得ServerSocketChannel接收的客户端
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            sc.configureBlocking(false);
            //注册对SocketChannel读事件感兴趣
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
        
        //处理读取事件
        else if (key.isReadable()) 
            System.out.println("处理读取事件");
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //read方法不会阻塞，调用时肯定是发生了客户端发送数据的事件
            int len = sc.read(buffer);
            if (len != -1) 
                System.out.println("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            
            ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("Hello 客户端".getBytes());
            sc.write(bufferToWrite);
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        
        //处理写事件
        else if (key.isWritable()) 
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            System.out.println("处理写事件");
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        
    

客户端

public class NIOClient 
    //多路复用器
    private Selector selector;

    /**
     * 启动客户端测试
     *
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("127.0.0.1", 9000);
        client.connect();
    

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     *
     * @param ip   连接的服务器的ip
     * @param port 连接的服务器的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip, int port) throws IOException 
        // 获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();

        // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect() 才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     *
     * @throws IOException
     */
    public void connect() throws IOException 
        // 轮询访问selector
        while (true) 
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) 
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                it.remove();
                // 连接事件发生
                if (key.isConnectable()) 
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    // 如果正在连接，则完成连接
                    if (channel.isConnectionPending()) 
                        channel.finishConnect();
                    
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes());
                    channel.write(buffer);
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);                                            // 获得了可读的事件
                 else if (key.isReadable()) 
                    read(key);
                
            
        
    

    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 的事件
     *
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException 
        //和服务端的read方法一样
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int len = channel.read(buffer);
        if (len != -1) 
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        
    

AIO

AIO（异步非阻塞），由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理

适合于连接数多且时间较长的操作，JDK1.7开始

服务器

public class AIOServer 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        //打开异步服务器通道，绑定端口
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //设置服务器接收连接回调
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() 
            //连接成功
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) 
                try 
                    // 接收客户端连接
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    //设置读取客户端数据的回调
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() 
                        //读取成功
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) 
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) 
                            exc.printStackTrace();
                        
                    );
                 catch (IOException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            //连接失败
            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) 
                exc.printStackTrace();
            
        );

        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    

客户端

public class AIOClient 

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) 
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        
    

BIO、NIO、AIO对比

	BIO	NIO	AIO
IO模型	同步阻塞	同步非阻塞	异步阻塞
编程难度	较低	较高	较高
可靠性	差	好	好
吞吐量	低	高	高

举个栗子：去餐厅吃饭等位子

BIO：拿号后在门口排队等候，什么都不做

NIO：拿号后去旁边逛街，每隔一段时间来看看有没有到自己

AIO：在手机上预订后，去旁边逛街，到自己后手机通知再过去