IO模型

IO模型

IO模型就是說用什么樣的通道進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收械念,Java共支持3種網(wǎng)絡(luò)編程IO模式:BIO夺巩,NIO板熊,AIO

BIO (Blocking IO)

同步阻塞IO模型蛋济,一個客戶端對應(yīng)一個服務(wù)端

bio.png

服務(wù)端:

@Slf4j
public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        while (true) {
            log.info("服務(wù)端已啟動西设,等待連接");
            // 阻塞
            Socket socket = serverSocket.accept();
            log.info("客戶端已連接");

            // 單線程處理鏈接
            // handler(socket);

            // 多線程處理鏈接
            new Thread(new Runnable() {
                @SneakyThrows
                @Override
                public void run() {
                    log.info("local-thread-{}", Thread.currentThread().getName());
                    handler(socket);
                }
            }).start();
        }
    }

    private static void handler(Socket socket) throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        log.info("獲取客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)");
        // 接收數(shù)據(jù)起宽,阻塞方法,沒有數(shù)據(jù)可讀時就阻塞
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        if (read != -1) {
            log.info("接收客戶數(shù)據(jù): {}", new String(bytes, 0, read));
        }

        // 響應(yīng)客戶端
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        outputStream.write("server is connecting".getBytes());
        outputStream.flush();
    }
}

客戶端:

@Slf4j
public class BIOClient {
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int PORT = 8080;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket(HOST, PORT);
        // 發(fā)送數(shù)據(jù)
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("request server connect".getBytes());
        os.flush();

        // 接收數(shù)據(jù)
        byte[] bytes = new byte[1024];
        InputStream is = socket.getInputStream();
        int read = is.read(bytes);
        if (read != -1) {
            log.info("接收到來自服務(wù)端的數(shù)據(jù): {}", new String(bytes, 0, read));
        }

        socket.close();
    }
}

缺點

  • 1济榨、IO代碼里read操作是阻塞操作坯沪,如果連接不做數(shù)據(jù)讀寫操作會導致線程阻塞,浪費資源
  • 2擒滑、如果線程很多腐晾,會導致服務(wù)器線程太多叉弦,壓力太大,比如C10K問題

應(yīng)用場景

BIO 方式適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)藻糖,這種方式對服務(wù)器資源要求比較高淹冰,但程序簡單易理解。

NIO (NON Blocking IO)

同步非阻塞IO模型巨柒,服務(wù)器實現(xiàn)模式為一個線程可以處理多個請求(連接)樱拴,客戶端發(fā)送的連接請求都會注冊到多路復用器selector上,
多路復用器輪詢到連接有IO請求就進行處理洋满,JDK1.4開始引入晶乔。

NIO.png

普通模型:

@Slf4j
public class NIOServer {
    static List<SocketChannel> channelList = Lists.newArrayList();

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建 NIO 通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 綁定服務(wù)端口地址
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 設(shè)置通道為非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        log.info("服務(wù)端已啟動,等待連接");

        while (true) {
            // 非阻塞模式 accept() 方法不會阻塞牺勾。阻塞模式則會阻塞正罢,即 socketChannel.configureBlocking(ture)
            // NIO的非阻塞是由操作系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)的,底層調(diào)用了linux內(nèi)核的accept函數(shù)
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (!ObjectUtils.isEmpty(socketChannel)) {
                log.info("客戶端已連接: {}", socketChannel.getRemoteAddress());
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 連接成功放到 channelList 中
                channelList.add(socketChannel);
            }

            // 讀取 channel
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel channel = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);

                // 非阻塞模式 read() 方法不會阻塞驻民。阻塞模式則會阻塞
                int read = channel.read(byteBuffer);
                if (read > 0) {
                    log.info("接收客戶 {}, 數(shù)據(jù): {}", channel.getRemoteAddress(), new String(byteBuffer.array()));
                } else if (read < 0) {
                    //
                    iterator.remove();
                    log.info("客戶端已斷開連接");
                }
            }
        }
    }
}

如上翻具,如果有很多連接,每一個連接都需要通過iterator遍歷獲取數(shù)據(jù)回还,如果該連接無數(shù)據(jù)發(fā)送裆泳,則會產(chǎn)生很多無用的遍歷。

多路復用器模型:

@Slf4j
public class NIOSelectorServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建 NIO 通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 綁定服務(wù)端口地址
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 設(shè)置通道為非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 打開 Selector 處理 Channel柠硕,即創(chuàng)建 epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // Channel 注冊到 selector 上工禾,并 selector 對客戶端 accept 操作監(jiān)聽
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.info("服務(wù)端已啟動,等待連接");

        while (true) {
            // 阻塞等待需要處理的事件發(fā)生
            selector.select();
            // 獲取 selector 中注冊的全部事件中的 selectedKeys 實例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
            // 遍歷對 selectionKeys 事件進行處理
            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = keyIterator.next();
                // 是 OP_ACCEPT 事件仅叫,則進行后續(xù)的獲取數(shù)據(jù)和事件注冊
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel serverSocket = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                    SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 注冊 OP_READ 事件帜篇,需要給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),則注冊 OP_WRITE 即可
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    log.info("客戶端已連接: {}", socketChannel.getRemoteAddress());

                    // 是 OP_READ 事件诫咱,則獲取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int read = socketChannel.read(byteBuffer);
                    if (read > 0) {
                        log.info("接收客戶 {}, 數(shù)據(jù): {}", socketChannel.getRemoteAddress(), new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (read < 0) {
                        socketChannel.close();
                        log.info("客戶端已斷開連接");
                    }
                }
                // selectionKeys 沒有對應(yīng)事件即移除笙隙,防止下次 seletor 重復處理
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

NIO 有三大核心組件: Channel(通道), Buffer(緩沖區(qū))坎缭,Selector(多路復用器)

1竟痰、channel 類似于流,每個 channel 對應(yīng)一個 buffer 緩沖區(qū)掏呼,buffer 底層就是個數(shù)組

2坏快、channel 會注冊到 selector 上,由 selector 根據(jù) channel 讀寫事件的發(fā)生將其交由某個空閑的線程處理

3憎夷、NIO 的 Bufferchannel 都是既可以讀也可以寫

應(yīng)用場景

NIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短(輕操作) 的架構(gòu)莽鸿, 比如聊天服務(wù)器, 彈幕系統(tǒng), 服務(wù)器間通訊祥得,編程比較復雜

AIO (NIO 2.0)

異步非阻塞兔沃, 由操作系統(tǒng)完成后回調(diào)通知服務(wù)端程序啟動線程去處理, 一般適用于連接數(shù)較多且連接時間較長的應(yīng)用

異步模型:

@Slf4j
public class AIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        AsynchronousServerSocketChannel assc = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));
        assc.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @SneakyThrows
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                log.info("connet -- {}", Thread.currentThread().getName());
                // 在此接收客戶端連接级及,否則后面的客戶端連接不上服務(wù)端
                assc.accept(attachment, this);
                log.info("客戶端:{}", socketChannel.getRemoteAddress());
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                socketChannel.read(byteBuffer, byteBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                    @Override
                    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                        log.info("read -- {}", Thread.currentThread().getName());
                        byteBuffer.flip();
                        log.info("客戶端請求數(shù)據(jù):{}", new String(byteBuffer.array(), 0, result));
                        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("This is response data".getBytes()));
                    }

                    @Override
                    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                        log.error("read error: {}", exc.getMessage());
                        exc.printStackTrace();
                    }
                });
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                log.error("connect error: {}", exc.getMessage());
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        log.info("main -- {}", Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

應(yīng)用場景

AIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較長(重操作)的架構(gòu)乒疏,JDK7 開始支持

對比

1614160645531.jpg

資料

【公眾號】網(wǎng)絡(luò) IO 演變發(fā)展過程和模型介紹

【B站視頻】IO多路復用底層原理全解


收錄時間: 2021/02/24

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
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