一文带你你搞懂Java的3种IO模型

2023-05-19 20:05:59 模型一文你你

Java BIO

Java BIO就是Java的传统IO模型，对应了操作系统IO模型里的阻塞IO。

Java BIO相关的实现都位于java.io包下，其通信原理是客户端、服务端之间通过Socket套接字建立管道连接，然后从管道中获取对应的输入/输出流，最后利用输入/输出流对象实现发送/接收信息。

我们来看个Demo：

BiOServer：


public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //定义一个ServerSocket服务端对象，并为其绑定端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        System.out.println("===========BIO服务端启动================");
        //对BIO来讲，每个Socket都需要一个Thread
        while (true) {
            //监听客户端Socket连接
            Socket socket = server.accept();
            new BioServerThread(socket).start();
        }

    }

    
    static class BioServerThread extends Thread{
        //socket连接
        private Socket socket;
        public BioServerThread(Socket socket){
            this.socket=socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                //从socket中获取输入流
                InputStream inputStream=socket.getInputStream();
                //转换为
                BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                String msg;
                //从Buffer中读取信息，如果读取到信息则输出
                while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
                    System.out.println("收到客户端消息："+msg);
                }

                //从socket中获取输出流
                OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
                PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream);
                //通过输出流对象向客户端传递信息
                printStream.println("你好，吊毛！");
                //清空输出流
                printStream.flush();
                //关闭socket
                socket.shutdownOutput();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Bioclient


public class BioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<String> names= Arrays.asList("帅哥","靓仔","坤坤");
        //通过循环创建多个多个client
        for (String name:names){
            //创建socket并根据IP地址与端口连接服务端
            Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888);
            System.out.println("===========BIO客户端启动================");
            //从socket中获取字节输出流
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
            //通过输出流向服务端传递信息
            String hello="你好，"+name+"!";
            outputStream.write(hello.getBytes());
            //清空流，关闭socket输出
            outputStream.flush();
            socket.shutdownOutput();

            //从socket中获取字节输入流
            InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            //读取服务端消息
            String msg;
            while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
                System.out.println("收到服务端消息："+msg);
            }
            inputStream.close();
            outputStream.close();
            socket.close();
        }
    }
}

先启动BioServer，再启动BioClient，运行结果

===========BIO服务端启动================
收到客户端消息：你好，帅哥!
收到客户端消息：你好，靓仔!
收到客户端消息：你好，坤坤!

===========BIO客户端启动================
收到服务端消息：你好，吊毛！
===========BIO客户端启动================
收到服务端消息：你好，吊毛！
===========BIO客户端启动================
收到服务端消息：你好，吊毛！

在上述Java-BIO的通信过程中，如果客户端一直没有发送消息过来，服务端则会一直等待下去，从而服务端陷入阻塞状态。同理，由于客户端也一直在等待服务端的消息，如果服务端一直未响应消息回来，客户端也会陷入阻塞状态。

在BioServer定义了一个类BioServerThread，继承了Thread类，run方法里主要是通过socket和流来读取客户端的消息，以及发送消息给客户端，每处理一个客户端的Socket连接，就得新建一个线程。

同时，IO读写操作也是阻塞的，如果客户端一直没有发送消息过来，线程就会进入阻塞状态，一直等待下去。

在BioClient里，循环创建Socket，向服务端收发消息，客户端的读写也是阻塞的。

在这个Demo里就体现了BIO的两个特点：

一个客户端连接对应一个处理线程
读写操作都是阻塞的

毫无疑问，不管是创建太多线程，还是阻塞读写，都会浪费服务器的资源。

Java NIO

那么我们就进入Java的下一种IO模型——Java NIO，它对应操作系统IO模型中的多路复用IO，底层采用了epoll实现。

Java-NIO则是jdk1.4中新引入的api，它在BIO功能的基础上实现了非阻塞式的特性，其所有实现都位于java.nio包下。NIO是一种基于通道、面向缓冲区的IO操作，相较BIO而言，它能够更为高效的对数据进行读写操作，同时与原先的BIO使用方式也大有不同。

我们还是先来看个Demo：

NioServer


public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建一个选择器selector
        Selector selector= Selector.open();
        //创建serverSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
        //绑定端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
        //必须得设置成非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //将channel注册到selector并设置监听事件为ACCEPT
        serverSocketChannel.reGISter(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("===========NIO服务端启动============");
        while(true){
            //超时等待
            if(selector.select(1000)==0){
                System.out.println("===========NIO服务端超时等待============");
                continue;
            }
            // 有客户端请求被轮询监听到，获取返回的SelectionKey集合
            Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator();
            //迭代器遍历SelectionKey集合
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key=iterator.next();
                // 判断是否为ACCEPT事件
                if (key.isAcceptable()){
                    // 处理接收请求事件
                    SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                    //非阻塞模式
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 注册到Selector并设置监听事件为READ
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                    System.out.println("成功连接客户端");
                }
                //判断是否为READ事件
                if (key.isReadable()){
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

                    try {
                        // 获取以前设置的附件对象，如果没有则新建一个
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        if (buffer == null) {
                            buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            key.attach(buffer);
                        }
                        // 清空缓冲区
                        buffer.clear();
                        // 将通道中的数据读到缓冲区
                        int len = socketChannel.read(buffer);
                        if (len > 0) {
                            buffer.flip();
                            String message = new String(buffer.array(), 0, len);
                            System.out.println("收到客户端消息：" + message);
                        } else if (len < 0) {
                            // 接收到-1，表示连接已关闭
                            key.cancel();
                            socketChannel.close();
                            continue;
                        }
                        // 注册写事件，下次向客户端发送消息
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                    } catch (IOException e) {
                        // 取消SelectionKey并关闭对应的SocketChannel
                        key.cancel();
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //判断是否为WRITE事件
                if (key.isWritable()){
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    //获取buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    String hello = "你好，坤坤！";
                    //清空buffer
                    buffer.clear();
                    //buffer中写入消息
                    buffer.put(hello.getBytes());
                    buffer.flip();
                    //向channel中写入消息
                    socketChannel.write(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("向客户端发送消息：" + hello);
                    // 设置下次读写操作，向 Selector 进行注册
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                }
                // 移除本次处理的SelectionKey,防止重复处理
                iterator.remove();
            }
        }

    }
}

NioClient

public class NioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建SocketChannel并指定ip地址和端口号
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        System.out.println("==============NIO客户端启动================");
        // 非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);
        String hello="你好，靓仔！";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes());
        // 向通道中写入数据
        socketChannel.write(buffer);
        System.out.println("发送消息：" + hello);
        buffer.clear();
        // 将channel注册到Selector并监听READ事件
        socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer);
        while (true) {
            // 读取服务端数据
            if (socketChannel.read(buffer) > 0) {
                buffer.flip();
                String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit());
                System.out.println("收到服务端消息：" + msg);
                break;
            }
        }
        // 关闭输入流
        socketChannel.shutdownInput();
        // 关闭SocketChannel连接
        socketChannel.close();
    }
}

先运行NioServer，再运行NioClient，运行结果：

===========NIO服务端启动============
===========NIO服务端超时等待============
===========NIO服务端超时等待============
成功连接客户端
收到客户端消息：你好，靓仔！
向客户端发送消息：你好啊！

==============NIO客户端启动================
发送消息：你好，靓仔！
收到服务端消息：你好啊！

我们在这个案例里实现了一个比较简单的Java NIO 客户端服务端通信，里面有两个小的点需要注意，注册到选择器上的通道都必须要为非阻塞模型，同时通过缓冲区传输数据时，必须要调用flip()方法切换为读取模式。

Java-NIO中有三个核心概念：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）。

每个客户端连连接本质上对应着一个Channel通道，每个通道都有自己的Buffer缓冲区来进行读写，这些Channel被Selector选择器管理调度
Selector负责轮询所有已注册的Channel，监听到有事件发生，才提交给服务端线程处理，服务端线程不需要做任何阻塞等待，直接在Buffer里处理Channel事件的数据即可，处理完马上结束，或返回线程池供其他客户端事件继续使用。
通过Selector，服务端的一个Thread就可以处理多个客户端的请求
Buffer（缓冲区）就是饭店用来存放食材的储藏室，当服务员点餐时，需要从储藏室中取出食材进行制作。
Channel（通道）是用于传输数据的车道，就像饭店里的上菜窗口，可以快速把点好的菜品送到客人的桌上。
Selector（选择器）就是大堂经理，负责协调服务员、厨师和客人的配合和沟通，以保证整个就餐过程的效率和顺畅。

Java AIO

Java-AIO也被成为NIO2，它是在NIO的基础上，引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字的实现。

它们的主要区别就在于这个异步通道，见名知意：使用异步通道去进行IO操作时，所有操作都为异步非阻塞的，当调用read()/write()/accept()/connect()方法时，本质上都会交由操作系统去完成，比如要接收一个客户端的数据时，操作系统会先将通道中可读的数据先传入read()回调方法指定的缓冲区中，然后再主动通知Java程序去处理。

我们还是先来看个Demo：

AioServer


public class AioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步通道组，处理IO事件
        AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
        //创建异步服务器Socket通道，并绑定端口
        AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888));
        System.out.println("=============AIO服务端启动=========");

        // 异步等待接收客户端连接
        server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            // 创建ByteBuffer
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
                System.out.println("客户端连接成功");
                try {
                    buffer.clear();
                    // 异步读取客户端发送的消息
                    channel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer len, Object attachment) {
                            buffer.flip();
                            String message = new String(buffer.array(), 0, len);
                            System.out.println("收到客户端消息：" + message);

                            // 异步发送消息给客户端
                            channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好，阿坤！").getBytes()), null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                                @Override
                                public void completed(Integer result, Object attachment) {
                                    // 关闭输出流
                                    try {
                                        channel.shutdownOutput();
                                    } catch (IOException e) {
                                        e.printStackTrace();
                                    }
                                }

                                @Override
                                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                                    exc.printStackTrace();
                                    try {
                                        channel.close();
                                    } catch (IOException e) {
                                        e.printStackTrace();
                                    }
                                }
                            });
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                            exc.printStackTrace();
                            try {
                                channel.close();
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    });
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 继续异步等待接收客户端连接
                server.accept(null, this);
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
                // 继续异步等待接收客户端连接
                server.accept(null, this);
            }
        });
        // 等待所有连接都处理完毕
        group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
    }

}

AioClient


public class AioClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步Socket通道
        AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
        // 异步连接服务器
        client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler<Void, Object>() {
            // 创建ByteBuffer
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好，靓仔！").getBytes());

            @Override
            public void completed(Void result, Object attachment) {
                // 异步发送消息给服务器
                client.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                    // 创建ByteBuffer
                    final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                    @Override
                    public void completed(Integer result, Object attachment) {
                        readBuffer.clear();
                        // 异步读取服务器发送的消息
                        client.read(readBuffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                            @Override
                            public void completed(Integer result, Object attachment) {
                                readBuffer.flip();
                                String msg = new String(readBuffer.array(), 0, result);
                                System.out.println("收到服务端消息：" + msg);
                            }

                            @Override
                            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                                exc.printStackTrace();
                                try {
                                    client.close();
                                } catch (IOException e) {
                                    e.printStackTrace();
                                }
                            }
                        });
                    }

                    @Override
                    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                        exc.printStackTrace();
                        try {
                            client.close();
                        } catch (IOException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                });
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
                try {
                    client.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        // 等待连接处理完毕
        Thread.sleep(1000);
        // 关闭输入流和Socket通道
        client.shutdownInput();
        client.close();
    }
}

看下运行结果

=============AIO服务端启动=========
客户端连接成功
收到客户端消息：你好，靓仔！

收到服务端消息：你好啊！

可以看到，所有的操作都是异步进行，通过completed接收异步回调，通过failed接收错误回调。

而且我们发现，相较于之前的NIO而言，AIO其中少了Selector选择器这个核心组件，选择器在NIO中充当了协调者的角色。

但在Java-AIO中，类似的角色直接由操作系统担当，而且不是采用轮询的方式监听IO事件，而是采用一种类似于“订阅-通知”的模式。

在AIO中，所有创建的通道都会直接在OS上注册监听，当出现IO请求时，会先由操作系统接收、准备、拷贝好数据，然后再通知监听对应通道的程序处理数据。

Java-AIO这种异步非阻塞式IO也是由操作系统进行支持的，在windows系统中提供了一种异步IO技术：IOCP(I/O Completion Port，所以Windows下的Java-AIO则是依赖于这种机制实现。不过在linux系统中由于没有这种异步IO技术，所以Java-AIO在Linux环境中使用的还是epoll这种多路复用技术进行模拟实现的。

因为Linux的异步IO技术实际上不太成熟，所以Java-AIO的实际应用并不是太多，比如大名鼎鼎的网络通信框架Netty就没有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代码层面，自行实现异步。

小结

那么这期我们就快速过了一下Java的三种IO机制，它们的特点，我们直接看下图：

我们也发现，虽然Java-NIO、Java-AIO，在性能上比Java-BIO要强很多，但是可以看到，写法上一个比一个难搞，不过好在基本也没人直接用Java-NIO、Java-AIO，如果要进行网络通信，一般都会采用Netty，它对原生的Java-NIO进行了封装优化，接下来，我们会继续走近Netty，敬请期待。

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