浅谈Java中的三种IO模型及三种模型之间的区别

2021-08-03 13:52:53 浏览数 (2839)

本篇文章，我将和大家分享关于 Java 中的三种 IO 模型，分别是同步阻塞模型、同步非阻塞模型和异步非阻塞模型，下面将为大家简单地介绍这三种模型，并总结这三种 IO 模型之间的区别。

一、BIO(Blocking IO，也被称作old IO)

同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程

对于每一个新的网络连接都会分配给一个线程，每隔线程都独立处理自己负责的输入和输出, 也被称为Connection Per Thread模式

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缺点：

1、IO代码里read操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源

2、如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K问题

所谓c10k问题，指的是服务器同时支持成千上万个客户端的问题，也就是concurrent 10 000 connection

应用场景： BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，但程序简单易理解。

示例代码如下：

Bio服务端

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @Title：BIO的服务端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/13 9:41
 * @Description
 * @Version
 */
public class SocketServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true){
            System.out.println("等待连接...");
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("客户端"+clientSocket.getRemoteSocketAddress()+"连接了！");

            handle(clientSocket);
        }

    }

    private static void handle(Socket clientSocket)  throws IOException{
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read 客户端"+clientSocket.getRemoteSocketAddress()+"数据完毕");
        if(read != -1){
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }

}

Bio客户端

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;

/**
 * @Title：BIO的客户端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/13 9:49
 * @Description
 * @Version
 */
public class SocketClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");

        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);

        System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        socket.close();
    }
}

二、NIO(Non Blocking IO，本意也作new IO)

同步非阻塞，服务器实现模式为 一个线程可以处理多个连接请求（连接），客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，是在JDK1.4开始引入的。

应用场景：NIO方式适合连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器、弹幕系统、服务器之间通讯，编程相对复杂。

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NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(多路复用器)

1.channel类似于流，每个channel对应一个buffer缓冲区，buffer底层就是个数组

2.channel 会注册到selector上，由selector根据channel读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理

3.NIO的Buffer和Channel都是可读也可写的。

NIO的代码示例有两个

没有引入多路复用器的NIO

服务端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

/**
 * @Title：Nio服务端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 11:04
 * @Description
 * @Version
 */
public class NioServer {

    /**
     * 保存客户端连接
     */
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建Nio ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("Nio服务启动成功");

        while(true){
            //非阻塞模式accept方法不会阻塞
            /// NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if(socketChannel != null){
                System.out.println("连接成功");
                socketChannel.configureBlocking(false);
                channelList.add(socketChannel);
            }

            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while(iterator.hasNext()){
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                //非阻塞模式read方法不会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);

                if(len > 0){
                    System.out.println("接收到消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                }else if(len == -1){
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }

        }
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

/**
 * @Title：Nio客户端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 11:36
 * @Description
 * @Version
 */
public class NioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9000));
        socketChannel.configureBlocking(false);


        ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap("HelloServer1".getBytes());
        socketChannel.write(writeBuffer);
        System.out.println("向服务端发送数据1结束");

        writeBuffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer2".getBytes());
        socketChannel.write(writeBuffer);
        System.out.println("向服务端发送数据2结束");

        writeBuffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer3".getBytes());
        socketChannel.write(writeBuffer);
        System.out.println("向服务端发送数据3结束");
    }


}

引入了多路复用器的NIO

服务端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @Title：引入多路复用器后的NIO服务端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 13:57
 * @Description
 * SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
 * SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功
 * SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
 * SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）
 *
 * 1.当向通道中注册SelectionKey.OP_READ事件后，如果客户端有向缓存中write数据，下次轮询时，则会 isReadable()=true；
 *
 * 2.当向通道中注册SelectionKey.OP_WRITE事件后，这时你会发现当前轮询线程中isWritable()一直为true，如果不设置为其他事件
 * @Version
 */
public class NioSelectorServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        /**
         * 创建server端，并且向多路复用器注册，让多路复用器监听连接事件
         */
        //创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        //打开selector处理channel,即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        //把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端的accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("NioSelectorServer服务启动成功");


        while(true){
            //阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            //获取selector中注册的全部事件的SelectionKey实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            //遍历selectionKeys,对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                //如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接和事件注册
                if(key.isAcceptable()){
                    ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    //接受客户端的连接
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //把SocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端的read操作(即读取来自客户端的消息)感兴趣
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端"+socketChannel.getRemoteAddress()+"连接成功!");

                }else if(key.isReadable()){
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    if(len > 0){
                        System.out.println("接收到客户端"+socketChannel.getRemoteAddress()+"发来的消息，消息内容为:"+new String(byteBuffer.array()));
                    }else if(len == -1){
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        //关闭该客户端
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }

        }

        /**
         * NioSelectorServer服务启动成功
         * 客户端/127.0.0.1:57070连接成功!
         * 接收到客户端/127.0.0.1:57070发来的消息，消息内容为:HelloServer
         * 客户端/127.0.0.1:57121连接成功!
         * 接收到客户端/127.0.0.1:57121发来的消息，消息内容为:HelloServer
         */

    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @Title：引入多路复用器后的NIO客户端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 14:39
 * @Description
 * @Version
 */
public class NioSelectorClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        Selector selector = Selector.open();
        //要先向多路复用器注册，然后才可以跟服务端进行连接
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9000));

        while (true){
            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isConnectable()){
                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                    if (sc.finishConnect()){
                        System.out.println("服务器连接成功");

                        ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes());
                        sc.write(writeBuffer);
                        System.out.println("向服务端发送数据结束");
                    }
                }
            }
        }

        /**
         * 服务器连接成功
         * 向服务端发送数据结束
         */

    }
}

三、AIO(Asynchronous IO) 即NIO2.0

异步非阻塞，由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

应用场景：AIO方式适用于连接数目多且连接时间较长（重操作）的架构（应用），JDK7开始支持。

著名的异步网络通讯框架netty之所以废弃了AIO,原因是：在Linux系统上，NIO的底层实现使用了Epoll，而AIO的底层实现仍使用Epoll，没有很好实现AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易深度优化，Linux上AIO还不够成熟

AIO示例代码如下：

服务端

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

/**
 * @Title：Aio服务端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 17:05
 * @Description
 * @Version
 */
public class AioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try{
                    System.out.println("2--"+Thread.currentThread().getName());
                    //接收客户端连接
                    serverChannel.accept(attachment,this);
                    System.out.println("客户端"+socketChannel.getRemoteAddress()+"已连接");

                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    socketChannel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, Object attachment) {
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            //flip方法将Buffer从写模式切换到读模式
                            //如果没有，就是从文件最后开始读取的，当然读出来的都是byte=0时候的字符。通过buffer.flip();这个语句，就能把buffer的当前位置更改为buffer缓冲区的第一个位置
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("hello Aio Client!".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });

                }catch(Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {

            }
        });

        System.out.println("1‐‐main"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
    /**
     * 1‐‐mainmain
     * 2--Thread-9
     * 客户端/127.0.0.1:54821已连接
     * 3--Thread-8
     * hello AIO server ！
     * 2--Thread-9
     * 客户端/127.0.0.1:54942已连接
     * 3--Thread-7
     * hello AIO server ！
     */

}

客户端

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

/**
 * @Title：Aio客户端
 * @Author：wangchenggong
 * @Date 2021/4/14 16:56
 * @Description
 * @Version
 */
public class AioClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建Aio客户端
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9000)).get();
        //发送消息
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("hello AIO server ！".getBytes()));
        //接收消息
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if(len != -1){
            //客户端收到消息:hello Aio Client!
            System.out.println("客户端收到消息:"+new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }


}

四、总结

	BIO	NIO	AIO
IO模型	同步阻塞	同步非阻塞	异步非阻塞
编程难度	简单	复杂	复杂
可靠性好	差	好	好
吞吐量	低	高	高

到此这篇关于 Java 中三种 IO 模型的简单介绍以及总结三者之间区别的文章就介绍到这了，想要了解更多相关 Java IO 模型的其他详细内容请搜索W3Cschool以前的文章或继续浏览下面的相关文章，也希望大家以后多多支持！

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浅谈Java中的三种IO模型及三种模型之间的区别

一、BIO(Blocking IO，也被称作old IO)

二、NIO(Non Blocking IO，本意也作new IO)

三、AIO(Asynchronous IO) 即NIO2.0

四、总结