BIO/NIO/AIO的区分
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了BIO/NIO/AIO的区分相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
BIO:同步阻塞IO(平常说的IO指的是BIO)
NIO:同步非阻塞IO
AIO:异步非阻塞IO
io操作分为两部分,发起io请求,和io数据读写。
阻塞、非阻塞主要是针对线程发起io请求后,是否立即返回来定义的,立即返回称为非阻塞io,否则称为阻塞io。
同步、异步主要针对io数据读写来定义的,读写数据过程中不阻塞线程称为异步io,否则,称为同步io。
一、BIO
线程发起io请求后,一直阻塞(阻塞io),直到数据就绪后,用户线程将数据写入socket空间,或从socket空间读取数据(同步)。
JDK5之前, JDK的IO模式只有BIO(同步阻塞)。
问题:因为阻塞的存在, 需对每个请求开启一个线程. 过多的线程切换影响操作系统性能。
解决:使用线程池, 处理不过来的放入队列, 再处理不过来的会触发其他机制。
问题::超过线程池数量的请求需要等待。
1. 客户端
public class Client final static String ADDRESS = "127.0.0.1"; final static int PORT = 8765; public static void main(String[] args) throws IOException Socket socket = null; BufferedReader in = null; PrintWriter out = null; try socket = new Socket(ADDRESS, PORT); in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true); // true自动flush //向服务器端发送数据 out.println("来自客户端的请求"); //从服务端接收数据 String response = in.readLine(); // 阻塞 System.out.println("Client获取数据: " + response); catch (Exception e) e.printStackTrace(); finally out.close(); in.close(); socket.close();
2. 服务端
(1) 一个请求~一个线程
public class Server final static int PROT = 8765; public static void main(String[] args) throws IOException ServerSocket server = null; try server = new ServerSocket(PROT); System.out.println("server start"); while(true) Socket socket = server.accept(); //监听 阻塞 , socket底层会新建线程处理与客户端的三次握手 //建立线程处理获取的 socket new Thread(new ServerHandler(socket)).start(); catch (Exception e) e.printStackTrace(); finally server.close(); class ServerHandler implements Runnable private Socket socket; public ServerHandler(Socket socket) this.socket = socket; @Override public void run() BufferedReader in = null; PrintWriter out = null; try in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream())); out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(), true); String body = null; while (true) body = in.readLine(); // 阻塞 if (body == null) break; System.out.println("Server获取的请求: " + body); out.println("来自服务器的响应"); catch (Exception e) e.printStackTrace(); finally try out.close(); in.close(); socket.close(); catch (IOException e) e.printStackTrace();
(2) 线程池处理
public class Server final static int PORT = 8765; public static void main(String[] args) throws IOException ServerSocket server = null; try server = new ServerSocket(PORT); System.out.println("server start"); HandlerExecutorPool executorPool = new HandlerExecutorPool(50, 1000); while(true) Socket socket = server.accept(); executorPool.execute(new ServerHandler(socket)); catch (Exception e) e.printStackTrace(); finally server.close(); class HandlerExecutorPool private ExecutorService executor; public HandlerExecutorPool(int maxPoolSize, int queueSize) this.executor = new ThreadPoolExecutor( // 带阻塞队列的线程池 Runtime.getRuntime().availableProcessors(), // 初始线程数 maxPoolSize, // 线程数上限 如果要处理请求的Runnable对象装满了队列, 则提高现有线程数 120L, // 如在120个时间颗粒内某线程是空闲的, 将被回收 TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize) // 存放处理请求的Runnable对象 ); public void execute(Runnable task) this.executor.execute(task); class ServerHandler implements Runnable private Socket socket; public ServerHandler(Socket socket) this.socket = socket; @Override public void run() BufferedReader in = null; PrintWriter out = null; try in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream())); out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(), true); String body = null; while (true) body = in.readLine(); if (body == null) break; System.out.println("Server获取的请求: " + body); // 阻塞 out.println("来自服务器的响应"); catch (Exception e) e.printStackTrace(); finally try out.close(); in.close(); socket.close(); catch (IOException e) e.printStackTrace();
二、IO多路复用(NIO)
当用户线程发起io请求后,将socket连接及关注事件注册到selector(多路复用器,os级别线程)上,selector循环遍历socket连接,看是否有关注数据就绪,如果连接有数据就绪后,就通知应用程序,建立线程进行数据读写。同BIO对比,NIO中线程处理的都是有效连接(数据就绪),且一个线程可以分管处理多个连接上的就绪数据,节省线程资源开销。
JDK5以后引入了NIO1.0(多路复用机制)。
伴随多路复用在程序中引入了如下概念:
Channel(通道):TCP连接的抽象,一个TCP连接对应多个Channel,这样减少TCP的连接次数。
通道与BIO中socket类似
通道与BIO中的流类似, 不过channel是双向的而流是单向的
channel有多种状态位, 能被selector识别
Buffer(缓冲区):
缓冲区是一块内存区域(数组), 在NIO中被包装成Buffer对象. Buffer提供方法用来访问该内存。
BIO中,数据存储在流中,而NIO中,数据存储在缓冲区中。
除了boolean的其他java七种基本类型都有相应的Buffer类. 最常使用的是ByteBuffer
Selector(多路复用器):负责轮询所有注册通道,根据通道状态执行相关操作。状态包括:Connect,Accept,Read,Write。
在"四种常用IO模型"里提过用select系统调用实现IO多路复用. 除select外Linux还提供了poll/epoll函数, 其中select/poll函数按顺序扫描文件句柄是否就绪,支持的文件句柄数有限; 而epoll使用基于事件驱动方式替代顺序扫描,性能更高, 对文件句柄数没有数量限制. JDK的Selector使用了epoll, 只需要一个线程轮询, 就可以接入大量的客户端。
1. 客户端
public class Client public static void main(String[] args) throws IOException SocketChannel sc = null; ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.allocate(1024); ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024); try //创建通道 sc = SocketChannel.open(); //进行连接 sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8765)); // 下面步骤可以用selector轮询代替 while(true) //定义一个字节数组,然后使用系统录入功能: byte[] bytes1 = new byte[1024]; System.in.read(bytes1); //阻塞 //把数据放到缓冲区中 writeBuf.put(bytes1); //对缓冲区进行复位 writeBuf.flip(); //写出数据 sc.write(writeBuf); //清空缓冲区 writeBuf.clear(); // 接收服务端响应 sc.read(readBuf); readBuf.flip(); byte[] bytes2 = new byte[readBuf.remaining()]; readBuf.get(bytes2); readBuf.clear(); String body = new String(bytes2); System.out.println("Client获取数据: " + body); catch (IOException e) e.printStackTrace(); finally sc.close();
2. 服务端
通过改变Selector监听Channel的状态位, 控制与客户端读写的先后顺序
public class Server implements Runnable private Selector seletor; private ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024); private ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.allocate(1024); public Server(int port) try //1 创建多路复用器selector this.seletor = Selector.open(); //2 创建ServerSocket通道 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); //3 设置通道是否阻塞, 决定了通道了read/write/accept/connect方法是否阻塞 ssc.configureBlocking(false); //4 设置通道地址 ssc.bind(new InetSocketAddress(port)); //5 将ServerSocket通道注册到selector上, 指定监听其accept事件 ssc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server start"); catch (IOException e) e.printStackTrace(); @Override public void run() while(true) try // select阻塞, 监听相关事件 this.seletor.select(); // 解除阻塞, 返回选择key, key含有通道, 状态等信息 Iterator<SelectionKey> keysIter = this.seletor.selectedKeys().iterator(); // 进行遍历 while(keysIter.hasNext()) SelectionKey key = keysIter.next(); keysIter.remove(); if (key.isValid()) // 等待接收连接状态 if (key.isAcceptable()) accept(key); // 可读状态 if (key.isReadable()) read(key); if (key.isWritable()) write(key); catch (IOException e) e.printStackTrace(); private void write(SelectionKey key) try // 获取通道 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); // 写回给客户端数据 writeBuf.put("来自服务器的响应".getBytes()); writeBuf.flip(); sc.write(writeBuf); writeBuf.clear(); // 修改监听的状态位, 如果保持OP_WRITE会导致重复写 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ); catch (IOException e) e.printStackTrace(); private void read(SelectionKey key) try // 获取通道 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); // 读取数据, 读到buffer. 按程序运行顺序, 这里sc是否设置为阻塞效果都一样 int count = sc.read(this.readBuf); // readBuf写时会改变position的值 if (count == -1) key.channel().close(); key.cancel(); //取消该通道在selector的注册, 之后不会被select轮询到 return; // 有数据则进行读取. 读取前需要将position和limit进行复位 readBuf.flip(); // 根据缓冲区的数据长度创建相应大小的byte数组, 接收缓冲区的数据 byte[] bytes = new byte[this.readBuf.remaining()]; // 接收缓冲区数据 readBuf.get(bytes); readBuf.clear(); String body = new String(bytes).trim(); System.out.println("Server获取的请求: " + body); // 如果保持OP_READ会导致重复读 sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_WRITE); catch (IOException e) e.printStackTrace(); private void accept(SelectionKey key) try // 获取服务通道 ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); // 获取客户端通道. SocketChannel sc = ssc.accept(); // 设置非阻塞模式 sc.configureBlocking(false); // 将客户端通道注册到多路复用器上,指定监听事件 sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); catch (IOException e) e.printStackTrace(); public static void main(String[] args) new Thread(new Server(8765)).start();;
BIO客户端与NIO服务端通信需注意的:
BIO服务端, 一次IO有明确的结束点, 客户端再次read会返回-1
NIO服务端一次IO结束后, 没有关闭通道, 它可能把通道从读状态转为写状态. 于是selector不监听读了, 客户端再次read什么都没返回, 就会阻塞.
三、AIO(JDK7引入了NIO2.0)
线程发起io请求后,立即返回(非阻塞io),当数据读写完成后,OS通知用户线程(异步)。这里数据写入socket空间,或从socket空间读取数据到用户空间由OS完成,用户线程无需介入,所以也就不会阻塞用户线程,即异步。
AIO基于时间驱动思想,采用proactor模式。数据完成后,由os主动通知应用程序,通过epoll实现,节省了NIO中selector循环遍历检测数据就绪的资源开销。同时,数据copy操作(用户空间<->socket空间)是由os完成的,无需应用程序参与,大大提高应用程序效率。
NIO1.0中, IO过程没有阻塞, 阻塞被转移到了Selector轮询上. Selector管理所有的Channel, 因此能把总阻塞时间缩到最短。
NIO2.0中, 供我们调用的IO API都是非阻塞的, 背后复杂的实现过程(肯定有阻塞)被转移到了JDK底层和操作系统上. 我们的程序的IO调用可以做到立即返回。
AIO同样有Channel和Buffer, 但没有Selector
1. 客户端
public class Client private AsynchronousSocketChannel asc ; public Client() throws Exception asc = AsynchronousSocketChannel.open(); public void connect() throws InterruptedException, ExecutionException // get()阻塞 asc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8765)).get(); public void write(String request) try // get()阻塞 asc.write(ByteBuffer.wrap(request.getBytes())).get(); read(); catch (Exception e) e.printStackTrace(); private void read() throws IOException ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); try // get()阻塞 asc.read(buf).get(); buf.flip(); byte[] respByte = new byte[buf.remaining()]; buf.get(respByte); System.out.println(new String(respByte,"utf-8").trim()); // 关闭 asc.close(); catch (InterruptedException e) e.printStackTrace(); catch (ExecutionException e) e.printStackTrace(); catch (UnsupportedEncodingException e) e.printStackTrace(); public static void main(String[] args) throws Exception Client c1 = new Client(); Client c2 = new Client(); c1.connect(); c2.connect(); c1.write("aa"); c2.write("bbb");
2. 服务端
public class Server //线程池 private ExecutorService executorService; //异步通道线程组 private AsynchronousChannelGroup threadGroup; //服务器通道 public AsynchronousServerSocketChannel assc; public Server(int port) try //创建一个线程池 executorService = Executors.newCachedThreadPool(); //使用线程池创建异步通道线程组, 该线程组在底层支持着我们的异步操作 threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(executorService, 1); //使用 异步通道线程组 创建服务器通道 assc = AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup); //给通道绑定端口 assc.bind(new InetSocketAddress(port)); System.out.println("server start"); // 下面的accept不会阻塞 , 一个accept只能接收一个连接请求 // accept第一个参数: 被绑定到IO操作的关联对象(子类), 第二个参数 CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, 关联对象(父类)>, 操作成功后执行的回调句柄 // 如果接受了一个新的连接, 其结果AsynchronousSocketChannel会被绑定与assc通道到相同的AsynchronousChannelGroup assc.accept(this, new ServerCompletionHandler()); // 这里为了避免程序结束, 异步通道线程组结束就不会执行回调了 Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE); catch (Exception e) e.printStackTrace(); public static void main(String[] args) new Server(8765);
//第一个参数: IO操作结果; 第二个参数: 被绑定到IO操作的关联对象 public class ServerCompletionHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Server> // 以下两个重载参数与CompletionHander的模板参数一致, 回调时被传入IO结果和IO操作时设置的关联对象 @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel asc, Server attachment) // 完成当前连接时, 首先, 为下一个客户端能接入再次调用accept异步方法 attachment.assc.accept(attachment, this); // 其次, 执行下一步的读操作 read(asc); @Override public void failed(Throwable exc, Server attachment) exc.printStackTrace(); private void read(final AsynchronousSocketChannel asc) //读取数据 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); // 第一个参数: 读操作的Buffer, 第二个参数: IO关联对象, 第三个参数:CompletionHandler<Integer, IO管理对象父类> asc.read(buf, buf, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() @Override public void completed(Integer resultSize, ByteBuffer attachment) //进行读取之后,重置标识位 attachment.flip(); //获得读取的字节数 System.out.println("Server端" + "收到客户端的数据长度为:" + resultSize); //获取读取的数据 String resultData = new String(attachment.array()).trim(); System.out.println("Server端" + "收到客户端的数据信息为:" + resultData); String response = "From服务端To客户端: 于" + new Date() + "收到了请求数据"+ resultData; write(asc, response); @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) exc.printStackTrace(); ); private void write(AsynchronousSocketChannel asc, String response) try ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); buf.put(response.getBytes()); buf.flip(); // 写操作, 异步 Future<Integer> future = asc.write(buf); // 阻塞等待结果 future.get(); catch (InterruptedException e) e.printStackTrace(); catch (ExecutionException e) e.printStackTrace();
以上是关于BIO/NIO/AIO的区分的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章