Java IO网络模型实现解析
前言
本篇文章会对Java中的网络IO模型的概念进行解释，并给出具体的Java代码实现，主要涉及如下部分。
- BIO（同步阻塞IO模型）的概念和Java编程实现；
- Non Blocking IO（同步非阻塞IO模型）的概念和Java编程实现；
- IO多路复用的概念；
- NIO（New IO）的概念和Java编程实现。
在开始本篇文章内容之前，有一个简单的关于Socket的知识需要说明：在进行网络通信的时候，需要一对Socket，一个运行于客户端，一个运行于服务端，同时服务端还会有一个服务端Socket，用于监听客户端的连接。下图进行一个简单示意。
那么整个通信流程如下所示。
- 服务端运行后，会在服务端创建listen-socket，listen-socket会绑定服务端的ip和port，然后服务端进入监听状态；
- 客户端请求服务端时，客户端创建connect-socket，connect-socket描述了其要连接的服务端的listen-socket，然后connect-socket向listen-socket发起连接请求；
- connect-socket与listen-socket成功连接后（TCP三次握手成功），服务端会为已连接的客户端创建一个代表该客户端的client-socket，用于后续和客户端进行通信；
- 客户端与服务端通过socket进行网络IO操作，此时就实现了客户端和服务端中的不同进程的通信。
需要知道的就是，在客户端与服务端通信的过程中，出现了三种socket，分别是。
- listen-socket。是服务端用于监听客户端建立连接的socket；
- connect-socket。是客户端用于连接服务端的socket；
- client-socket。是服务端监听到客户端连接请求后，在服务端生成的与客户端连接的socket。
（注：上述中的socket，可以被称为套接字，也可以被称为文件描述符。）
正文
一. BIO
BIO，即同步阻塞IO模型。用户进程调用read时发起IO操作，此时用户进程由用户态转换到内核态，只有在内核态中将IO操作执行完后，才会从内核态切换回用户态，这期间用户进程会一直阻塞。
BIO示意图如下。
简单的BIO的Java编程实现如下。
服务端实现
public class BiOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 创建listen-Socket
ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(8080);
// 进入监听状态，是一个阻塞状态
// 有客户端连接时从监听状态返回
// 并创建代表这个客户端的client-socket
Socket clientSocket = listenSocket.accept();
// 获取client-socket输入流
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(
new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
// 读取客户端发送的数据
// 如果数据没准备好，会进入阻塞状态
String data = bufferedReader.readLine();
System.out.println(data);
// 获取client-socket输出流
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(
new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()));
// 服务端向客户端发送数据
bufferedWriter.write("来自服务端的返回数据\n");
// 刷新流
bufferedWriter.flush();
}
}
客户端实现
public class Bioclient {
public static final String SERVER_IP = "127.0.0.1";
public static final int SERVER_PORT = 8080;
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 客户端创建connect-socket
Socket connectSocket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT);
// 获取connect-socket输出流
BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(
new OutputStreamWriter(connectSocket.getOutputStream()));
// 客户端向服务端发送数据
bufferedWriter.write("来自客户端的请求数据\n");
// 刷新流
bufferedWriter.flush();
// 获取connect-socket输入流
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(
new InputStreamReader(connectSocket.getInputStream()));
// 读取服务端发送的数据
String returnData = bufferedReader.readLine();
System.out.println(returnData);
}
}
BIO的问题就在于服务端在accept时是阻塞的，并且在主线程中，一次只能accept一个Socket，accept到Socket后，读取客户端数据时又是阻塞的。
二. Non Blocking IO
Non Blocking IO，即同步非阻塞IO。是用户进程调用read时，用户进程由用户态转换到内核态后，此时如果没有系统资源数据能够被读取到内核缓冲区中，返回read失败，并从内核态切换回用户态。也就是用户进程发起IO操作后会立即得到一个操作结果。
Non Blocking IO示意图如下所示。
简单的Non Blocking IO的Java编程实现如下。
public class NonbioServer {
public static final List<SocketChannel> clientSocketChannels = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 客户端创建listen-socket管道
// 管道支持非阻塞模式和同时读写
ServerSocketChannel listenSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞模式
listenSocketChannel.configureBlocking(false);
// 绑定监听的端口号
listenSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 在子线程中遍历clientSocketChannels并读取客户端数据
handleSocketChannels();
while (true) {
// 非阻塞方式监听客户端连接
// 如果无客户端连接则返回空
// 有客户端连接则创建代表这个客户端的client-socket管道
SocketChannel clientSocketChannel = listenSocketChannel.accept();
if (clientSocketChannel != null) {
// 设置为非阻塞模式
clientSocketChannel.configureBlocking(false);
// 添加到clientSocketChannels中
// 用于子线程遍历并读取客户端数据
clientSocketChannels.add(clientSocketChannel);
} else {
LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
}
}
}
public static void handleSocketChannels() {
new Thread(() -> {
while (true) {
// 遍历每一个client-socket管道
Iterator<SocketChannel> iterator = clientSocketChannels.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SocketChannel clientSocketChannel = iterator.next();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = 0;
try {
// 将客户端发送的数据读取到ByteBuffer中
// 这一步的操作也是非阻塞的
read = clientSocketChannel.read(byteBuffer);
} catch (IOException e) {
// 移除发生异常的client-socket管道
iterator.remove();
e.printStackTrace();
}
if (read == 0) {
System.out.println("客户端数据未就绪");
} else {
System.out.println("客户端数据为：" + new String(byteBuffer.array()));
}
}
LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
}
}).start();
}
}
上述是Non Blocking IO的一个简单服务端的实现，相较于BIO，服务端在accept时是非阻塞的，在读取客户端数据时也是非阻塞的，但是还是存在如下问题。
- 一次只能accept一个Socket；
- 需要在用户进程中遍历所有的SocketChannel并调用read() 方法获取客户端数据，此时如果客户端数据未准备就绪，那么这一次的read() 操作的开销就是浪费的。
三. IO多路复用
在上述的BIO和Non Blocking IO中，一次系统调用，只会获取一个IO的状态，而如果采取IO多路复用机制，则可以一次系统调用获取多个IO的状态。
也就是获取多个IO的状态可以复用一次系统调用。
最简单的IO多路复用方式是基于select模型实现，步骤如下。
- 在用户进程中将需要监控的IO文件描述符（Socket）注册到IO多路复用器中；
- 执行select操作，此时用户进程由用户态转换到内核态（一次系统调用），然后在内核态中会轮询注册到IO多路复用器中的IO是否准备就绪，并得到所有准备就绪的IO的文件描述符列表，最后返回这些文件描述符列表；
- 用户进程在select操作返回前会一直阻塞，直至select操作返回，此时用户进程就获得了所有就绪的IO的文件描述符列表；
- 用户进程获得了就绪的IO的文件描述符列表后，就可以对这些IO进行相应的操作了。
换言之，IO多路复用中，只需要一次系统调用，IO多路复用器就可以告诉用户进程，哪些IO已经准备就绪可以进行操作了，而如果不采用IO多路复用，则需要用户进程自己遍历每个IO并调用accept() 或者read() 方法去判断，且一次accept() 或者read() 方法调用只能判断一个IO。
四. NIO
NIO，即New IO。关于NIO，有如下三大组件。
- channel（管道）。介于buffer（字节缓冲区）和Socket（套接字）之间，用于数据的读写操作；
- buffer（字节缓冲区）。是用户程序和channel（管道）之间进行读写数据的中间区域；
- selector（IO多路复用器）。服务端的listen-socket和client-socket，客户端的connect-socket，都可以注册在selector上，注册的时候还需要指定监听的事件，比如为listen-socket指定监听的事件为ACCEPT事件，该事件发生则表示客户端建立了连接，还比如为client-socket指定监听的事件为READ事件，该事件发生则表示客户端发送的数据已经可读。
NIO的代码实现如下所示。
服务端实现
public class NioServer {
private static Selector selector;
public static void main(String[] args) {
try {
// 开启并得到多路复用器
selector = Selector.open();
// 服务端创建listen-socket管道
ServerSocketChannel listenSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞模式
listenSocketChannel.configureBlocking(false);
// 为管道绑定端口
listenSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 将listen-socket管道注册到多路复用器上，并指定监听ACCEPT事件
listenSocketChannel.reGISter(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
// 获取发生的事件，这个操作是阻塞的
selector.select();
// 拿到有事件发生的SelectionKey集合
// SelectionKey表示管道与多路复用器的绑定关系
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
// 遍历每个发生的事件，然后判断事件类型
// 根据事件类型，进行不同的处理
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
iterator.remove();
if (selectionKey.isAcceptable()) {
// 处理客户端连接事件
handlerAccept(selectionKey);
} else if (selectionKey.isReadable()) {
// 处理客户端数据可读事件
handlerRead(selectionKey);
}
}
LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static void handlerAccept(SelectionKey selectionKey) {
// 从事件中获取到listen-socket管道
ServerSocketChannel listenSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
try {
// 为连接的客户端创建client-socket管道
SocketChannel clientSocketChannel = listenSocketChannel.accept();
// 设置为非阻塞模式
clientSocketChannel.configureBlocking(false);
// 将client-socket管道注册到多路复用器上，并指定监听READ事件
clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 给客户端发送数据
clientSocketChannel.write(ByteBuffer.wrap("连接已建立\n".getBytes()));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static void handlerRead(SelectionKey selectionKey) {
// 从事件中获取到client-socket管道
SocketChannel clientSocketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
// 读取客户端数据
int read = clientSocketChannel.read(byteBuffer);
if (read <= 0) {
// 关闭管道
clientSocketChannel.close();
// 从多路复用器移除绑定关系
selectionKey.cancel();
} else {
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
}
} catch (IOException e1) {
try {
// 关闭管道
clientSocketChannel.close();
} catch (IOException e2) {
e2.printStackTrace();
}
// 从多路复用器移除绑定关系
selectionKey.cancel();
e1.printStackTrace();
}
}
}
客户端实现
public class NioClient {
private static Selector selector;
public static final String SERVER_IP = "127.0.0.1";
public static final int SERVER_PORT = 8080;
public static void main(String[] args) {
try {
// 开启并得到多路复用器
selector = Selector.open();
// 创建connect-socket管道
SocketChannel connectSocketChannel = SocketChannel.open();
// 设置为非阻塞模式
connectSocketChannel.configureBlocking(false);
// 设置服务端IP和端口
connectSocketChannel.connect(new InetSocketAddress(SERVER_IP, SERVER_PORT));
// 将connect-socket管道注册到多路复用器上，并指定监听CONNECT事件
connectSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
while (true) {
// 获取发生的事件，这个操作是阻塞的
selector.select();
// 拿到有事件发生的SelectionKey集合
// SelectionKey表示管道与多路复用器的绑定关系
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
// 遍历每个发生的事件，然后判断事件类型
// 根据事件类型，进行不同的处理
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
iterator.remove();
if (selectionKey.isConnectable()) {
// 处理连接建立事件
handlerConnect(selectionKey);
} else if (selectionKey.isReadable()) {
// 处理服务端数据可读事件
handlerRead(selectionKey);
}
}
LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static void handlerConnect(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
// 拿到connect-socket管道
SocketChannel connectSocketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
if (connectSocketChannel.isConnectionPending()) {
connectSocketChannel.finishConnect();
}
// 设置为非阻塞模式
connectSocketChannel.configureBlocking(false);
// 将connect-socket管道注册到多路复用器上，并指定监听READ事件
connectSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 向服务端发送数据
connectSocketChannel.write(ByteBuffer.wrap("客户端发送的数据\n".getBytes()));
}
private static void handlerRead(SelectionKey selectionKey) {
// 拿到connect-socket管道
SocketChannel connectSocketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
// 读取服务端数据
int read = connectSocketChannel.read(byteBuffer);
if (read <= 0) {
// 关闭管道
connectSocketChannel.close();
// 从多路复用器移除绑定关系
selectionKey.cancel();
} else {
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
}
} catch (IOException e1) {
try {
// 关闭管道
connectSocketChannel.close();
} catch (IOException e2) {
e2.printStackTrace();
}
// 从多路复用器移除绑定关系
selectionKey.cancel();
e1.printStackTrace();
}
}
}
总结
本篇文章中所讨论的IO模型，都是同步IO模型，而何谓同步异步，何谓阻塞非阻塞，可以总结如下。
- 同步和异步。同步IO表示需要在用户进程中主动的去询问操作系统数据是否准备好，如果没有准备好，还需要持续的询问，直到数据准备好为止；而异步IO则是在用户进程中只需要询问操作系统一次，后续数据准备好后操作系统会主动的将数据给到用户进程；
- 阻塞和非阻塞。阻塞IO就是发起一次系统调用后，会一直阻塞直到有结果返回；而非阻塞IO就是发起一次系统调用后，会立即得到一个返回结果。
实际上在Java中是有对异步IO（AIO）做支持，但是AIO依赖操作系统的底层实现，而目前Linux对AIO的支持不成熟，所以AIO的使用并不多，像主流的网络应用框架Netty也都没有使用到AIO。
以上就是Java IO网络模型实现解析的详细内容，更多关于Java IO网络模型的资料请关注其它相关文章！
相关文章