2.BIO与NIO区别

Posted 2022-08-23 PacosonSWJTU

【README】

• 1.本文总结自B站《netty-尚硅谷》，很不错；
• 2.本文介绍 BIO， NIO的知识；

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【1】BIO（传统java IO模型）

1）BIO-Blocking IO：同步阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理；

2）原理图如下：

【图解】

• 1.client： 可以使用 telnet 作为客户端连接服务器；
• 2.BIO：每当有一个客户端连接时，服务器就启动一个新线程与之通讯（当然可以复用线程池）。

 【代码实现】

/**
 * @Description 阻塞式IO服务器
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月13日
 */
public class Bioserver 
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        // 创建一个线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        int order = 0;

        // 创建 服务器 套接字
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动成功.");
        while(true) 
            System.out.println("等待客户端请求");
            Socket socket = serverSocket.accept(); // 没有客户端请求，accept阻塞
            System.out.printf("客户端[%d]请求建立连接\\n", ++order);
            final int orderCopy = order;
            threadPool.execute(()->
                handler(socket, orderCopy);
            );
        
    

    /**
     * @description 与客户端通讯
     * @param socket 连接套接字
     * @author xiao tang
     * @date 2022/8/13
     */
    public static void handler(Socket socket, int order) 
        byte[] byteArr = new byte[1024];

        try 
            // 读取客户端发送的数据
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            int length = 0;
            // 客户端没有数据，read阻塞
//            while( ( length = inputStream.read(byteArr))!= -1) 
//                System.out.println(new String(byteArr, 0, length));
//            
            while(true) 
                System.out.printf("线程id[%s]，等待客户端[%d]发送数据\\n", Thread.currentThread().getId(), order);
                length = inputStream.read(byteArr);
                if (length == -1) break;
                System.out.printf("线程id[%s]，客户端[%d]:" + new String(byteArr, 0, length) + "\\n",  Thread.currentThread().getId(), order);
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            // 关闭与客户端的连接
            try 
                socket.close();
                System.out.printf("关闭与客户端[%d]的连接\\n", order);
             catch (IOException e) 
            
        
    

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【2】NIO （同步非阻塞IO）

【2.0】NIO概述

• 1）Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的；
• 2）NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原java.io 包中的很多类进行改写。
• 3）NIO 有三大核心部分： Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器) ；
• 4）NIO是 面向缓冲区 ，或者面向块编程的。数据读取到缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络；

5）NIO非阻塞IO处理架构：

【图解】

• 1.使用NIO，服务器启动一个线程可以处理多个客户端请求。假设有10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
• 2.通道Channel 是封装在  java输入输出流中的对象；

【小结】

• NIO 有三大核心部分： Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器) ；

【比较】NIO 与 BIO的比较

• 1）BIO 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据, 块I/O 的效率比流I/O高很多；
• 2） BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的；
• 3） BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于Channel(通道)和Buffer(缓冲区)进行操作；磁盘数据借助通道读入到缓冲区，或者从缓冲区写出到磁盘。

补充：NIO中，Selector(选择器) 用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道；

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【3】NIO3大核心部分

1）NIO 有三大核心部分： Buffer(缓冲区),  Channel(通道)，Selector(选择器) ；

 2）3个模块关联关系如下：

【图解】

• 1）一个服务器线程对应一个选择器；一个选择器对应多个通道（因为多个通道可以注册到同一个选择器）；
• 2）一个通道对应一个缓冲区 buffer；
• 4）cpu切换到哪个channel运行 ，是由事件决定的；事件 event 是一个很重要的概念（如 ACCEPT, READ 事件）；
• 5）Selector 会根据不同事件，在各个通道上切换；
• 6）Buffer 本质上就是一个内存块，底层是由一个数组实现；
• 7）数据读取或写入，是通过buffer来完成，这个和 BIO 是有本质不同的；此外，BIO要么是输入流，要么是输出流，不能双向；但NIO的buffer是可读可写的，需要flip方法进行切换；
• 8）Channel 是双向的，可以反应底层操作系统的情况，如 linux底层的操作系统通道就是双向的；

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【3.1】NIO中的Buffer缓冲 

【3.1.1】buffer缓冲概述

1）缓冲区（Buffer）：

• 缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块（如字节数组），可以更轻松地使用内存块；
• 缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。

2）Channel 提供读写文件的接口、都必须经由Buffer，如下图所示。

参见 FileChannel读写文件代码（ NIOFileChannel015.java ，下文有）

【代码】NIO中缓冲区的使用

/**
 * @Description 缓冲区使用
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月13日
 */
public class BasicBuffer 

    /**
     * @description Buffer的使用
     */
    public static void main(String[] args) 
        // 创建一个buffer
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
        // 向buffer存放数据
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) 
            intBuffer.put(i*2);
        
        // 从buffer 读取数据
        // 需要先把 buffer 转换，读写切换（写模式切换到读模式）
        intBuffer.flip();

        intBuffer.position(1);
        while(intBuffer.hasRemaining()) 
            System.out.println(intBuffer.get());
        

    

【3.1.2】buffer子类及属性

1）子类

【图解】

• ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区（常用）-字节缓冲区；
• ShortBuffer，存储短整型数据到缓冲区；
• CharBuffer，存储字符数据到缓冲区；
• IntBuffer，存储整数数据到缓冲区；
• LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区；
• DoubleBuffer，存储双精度到缓冲区；
• FloatBuffer，存储单精度到缓冲区；

2）buffer的4个属性

public abstract class Buffer 
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;

序号	属性	描述
1	Capacity	容量，即缓冲区大小，定长不能改变。
2	Position	当前位置；表示下一个要被读写的元素的下标（索引）
3	limit	表示缓冲区最大可用位置，读写时不能超过极限位置。
4	Mark	标记，不修改。

【3.1.3】只读buffer

/**
 * @Description 只读 buffer
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOReadOnly017 
    public static void main(String[] args) 
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        for (int i = 0; i < 4; i++) 
            buffer.put((byte) i);
        
        // 读取
        buffer.flip();
        // 得到一个只读buffer
        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass()); // java.nio.HeapByteBufferR

        // 读取
        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) 
            System.out.println(readOnlyBuffer.get());
        
        readOnlyBuffer.flip();
        readOnlyBuffer.put((byte)0); // 抛出异常-ReadOnlyBufferException
    

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【3.1.4】 get与put() 方法操作 数据类型要一致

buffer缓冲中 get与put() 方法操作 数据类型要一致 ：

/**
 * @Description buffer put 与 get 操作的数据类型要一致
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOByteBufferPugGet017 
    public static void main(String[] args) 
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        // 类型化方式放入数据
        buffer.putInt(100);
        buffer.putLong(4);
        buffer.putChar('中');
        buffer.putShort((short)4);

        // 取出
        buffer.flip();

        System.out.println();
        System.out.println(buffer.getInt());
        System.out.println(buffer.getChar());
        System.out.println(buffer.getLong());
        System.out.println(buffer.getLong()); // 抛出异常
    

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【3.1.5】 Buffer的分散与聚集（buffer数组读写数据）

前面我们讲的读写操作，都是通过一个Buffer 完成的，NIO还支持通过多个Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和Gathering；

2）buffer的分散与聚集（ Scattering 与 Gathering ）

• Scattering: 将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入。
• Gathering: 从buffer读取数据时， 可以采用buffer数组，依次读取。

/**
 * @Description buffer的分散与聚集（ Scattering 与 Gathering ）
 *              Scattering: 将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入。
 *              Gathering: 从buffer读取数据时， 可以采用buffer数组，依次读取。
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class ScatterAndGatherBuffer019 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);

        // 绑定端口到socket 并启动
        serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

        // 创建buffer数组
        ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
        byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
        byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);
        // 等待客户端连接(telnet)
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        // 循环读取
        int msgLength = 8;  // 假定从客户端接收8个字节
        int byteRead = 0;
        while (byteRead < msgLength) 
            long singleLength = socketChannel.read(byteBuffers);
            byteRead += singleLength;
            System.out.println("byteRead = " + byteRead);
            // 流打印，查看当前buffer的position 和 limit
            Arrays.asList(byteBuffers).stream()
                    .map(buffer -> "position = " + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out::println);
        
        // 将所有buffer反转-flip
        Arrays.asList(byteBuffers).forEach(x -> x.flip());
        // 将数据读出显示到客户端
        long byteWrite = 0;
        while (byteWrite < msgLength) 
            long length = socketChannel.write(byteBuffers);
            byteWrite += length;
        
        // 将所有buffer 清空
        Arrays.asList(byteBuffers).forEach(x -> x.clear());
        System.out.println("byteRead = " + byteRead + ", byteWrite = " + byteWrite);
    

---

 【3.2】channel 通道的代码示例

1）写出到文件

/**
 * @Description nio文件通道读文件
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOFileChannel013 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        String text = "hello 世界";
        // 创建一个输出流
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(
                new File("D://temp/netty/nio_file_channel01.txt"))) 
            // 获取对应 FileChannel，FileChannel 是抽象类，具体类型是FileChannelImpl
            FileChannel fileChannel = fos.getChannel();
            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 把文本写入 ByteBuffer, 并把 ByteBuffer 反转-flip
            byteBuffer.put(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            byteBuffer.flip();
            // 把 byteBuffer 写入到 FileChannel
            fileChannel.write(byteBuffer);
         catch (Exception e) 
            System.out.println("异常");
            throw e;
        
    

2）从文件读入数据

/**
 * @Description FileChannel读文件
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOFileChannel014 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(
                new File("D://temp/netty/nio_file_channel01.txt"))) 
            // 获取对应 FileChannel，FileChannel 是抽象类，具体类型是FileChannelImpl
            FileChannel fileChannel = fis.getChannel();
            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 从文件读入内容到缓冲区
            fileChannel.read(byteBuffer);
            // 显示
            System.out.println(new String(byteBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
         catch (Exception e) 
            System.out.println("异常");
            throw e;
        
    

3）读写文件（拷贝）

/**
 * @Description FileChannel读写文件
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOFileChannel015 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("D://temp/netty/nio_file_channel01.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D://temp/netty/nio_file_channel02.txt")) 
            // 获取对应 FileChannel
            FileChannel fileChannel01 = fis.getChannel();
            FileChannel fileChannel02 = fos.getChannel();

            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4);
            // 循环读取
            while(fileChannel01.read(byteBuffer) != -1) 
                // 反转
                byteBuffer.flip();
                // 将buffer 中的数据写入到 02.txt
                fileChannel02.write(byteBuffer);
                // 清空 buffer
                byteBuffer.clear();
            
            // 显示
            System.out.println("拷贝成功.");
         catch (Exception e) 
            System.out.println("异常");
            throw e;
        
    

补充： Buffer.flip() 切换读写模式（如写模式切换为读模式）

4）用  transferFrom 拷贝文件

/**
 * @Description 采用 transferFrom 拷贝图片
 * @author xiao tang
 * @version 1.0.0
 * @createTime 2022年08月16日
 */
public class NIOFileChannel016 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("D://temp/netty/image/1.jpg");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D://temp/netty/image/2.jpg")) 
            // 获取对应 FileChannel
            FileChannel srcChannel = fis.getChannel();
            FileChannel destChannel = fos.getChannel();

            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4);
            // 使用 transferFrom 完成拷贝
            destChannel.transferFrom(srcChannel, 0, srcChannel.size());
            // 显示
            System.out.println("拷贝成功.");
         catch (Exception e) 
            System.out.println("异常");
            throw e;
        
    

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【3.3】选择器（Selector）

refer2

3.NIO选择器（基于NIO的服务器与客户端通讯）_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客