Java三種IO模型，一次搞懂！
作者：老三
Java BIO?相關的實現都位于java.io?包下，其通信原理是客戶端、服務端之間通過Socket套接字建立管道連接，然后從管道中獲取對應的輸入/輸出流，最后利用輸入/輸出流對象實現發送/接收信息。
大家好，我是老三，上一節我們討論了Linux的五種IO模型，接下來，我們從Java語言層面，來看看對IO的實現。
在Java中，一共有三種IO模型，分別是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和異步IO(AIO)。
Linux五種IO模型和Java三種IO模型
Java BIO
Java BIO就是Java的傳統IO模型，對應了操作系統IO模型里的阻塞IO。
Java BIO相關的實現都位于java.io包下，其通信原理是客戶端、服務端之間通過Socket套接字建立管道連接，然后從管道中獲取對應的輸入/輸出流，最后利用輸入/輸出流對象實現發送/接收信息。
我們來看個Demo：
- BioServer：
/**
* @Author 三分惡
* @Date 2023/4/30
* @Description BIO服務端
*/
public class BioServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//定義一個ServerSocket服務端對象，并為其綁定端口號
ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
System.out.println("===========BIO服務端啟動================");
//對BIO來講，每個Socket都需要一個Thread
while (true) {
//監聽客戶端Socket連接
Socket socket = server.accept();
new BioServerThread(socket).start();
}
}
/**
* BIO Server線程
*/
static class BioServerThread extends Thread{
//socket連接
private Socket socket;
public BioServerThread(Socket socket){
this.socket=socket;
}
@Override
public void run() {
try {
//從socket中獲取輸入流
InputStream inputStream=socket.getInputStream();
//轉換為
BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
String msg;
//從Buffer中讀取信息，如果讀取到信息則輸出
while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
System.out.println("收到客戶端消息："+msg);
}
//從socket中獲取輸出流
OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream);
//通過輸出流對象向客戶端傳遞信息
printStream.println("你好，吊毛！");
//清空輸出流
printStream.flush();
//關閉socket
socket.shutdownOutput();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}- BioClient
/**
* @Author 三分惡
* @Date 2023/4/30
* @Description BIO客戶端
*/
public class BioClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
List<String> names= Arrays.asList("帥哥","靚仔","坤坤");
//通過循環創建多個多個client
for (String name:names){
//創建socket并根據IP地址與端口連接服務端
Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888);
System.out.println("===========BIO客戶端啟動================");
//從socket中獲取字節輸出流
OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
//通過輸出流向服務端傳遞信息
String hello="你好，"+name+"!";
outputStream.write(hello.getBytes());
//清空流，關閉socket輸出
outputStream.flush();
socket.shutdownOutput();
//從socket中獲取字節輸入流
InputStream inputStream=socket.getInputStream();
BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
//讀取服務端消息
String msg;
while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
System.out.println("收到服務端消息："+msg);
}
inputStream.close();
outputStream.close();
socket.close();
}
}
}- 先啟動BioServer，再啟動BioClient，運行結果
===========BIO服務端啟動================
收到客戶端消息：你好，帥哥!
收到客戶端消息：你好，靚仔!
收到客戶端消息：你好，坤坤!===========BIO客戶端啟動================
收到服務端消息：你好，吊毛！
===========BIO客戶端啟動================
收到服務端消息：你好，吊毛！
===========BIO客戶端啟動================
收到服務端消息：你好，吊毛！在上述Java-BIO的通信過程中，如果客戶端一直沒有發送消息過來，服務端則會一直等待下去，從而服務端陷入阻塞狀態。同理，由于客戶端也一直在等待服務端的消息，如果服務端一直未響應消息回來，客戶端也會陷入阻塞狀態。
在BioServer定義了一個類BioServerThread，繼承了Thread類，run方法里主要是通過socket和流來讀取客戶端的消息，以及發送消息給客戶端，每處理一個客戶端的Socket連接，就得新建一個線程。
同時，IO讀寫操作也是阻塞的，如果客戶端一直沒有發送消息過來，線程就會進入阻塞狀態，一直等待下去。
在BioClient里，循環創建Socket，向服務端收發消息，客戶端的讀寫也是阻塞的。
在這個Demo里就體現了BIO的兩個特點：
- 一個客戶端連接對應一個處理線程
- 讀寫操作都是阻塞的
Java BIO
毫無疑問，不管是創建太多線程，還是阻塞讀寫，都會浪費服務器的資源。
Java NIO
那么我們就進入Java的下一種IO模型——Java NIO，它對應操作系統IO模型中的多路復用IO，底層采用了epoll實現。
Java-NIO則是JDK1.4中新引入的API，它在BIO功能的基礎上實現了非阻塞式的特性，其所有實現都位于java.nio包下。NIO是一種基于通道、面向緩沖區的IO操作，相較BIO而言，它能夠更為高效的對數據進行讀寫操作，同時與原先的BIO使用方式也大有不同。
我們還是先來看個Demo：
- NioServer
/**
* @Author 三分惡
* @Date 2023/4/30
* @Description NIO服務端
*/
public class NioServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//創建一個選擇器selector
Selector selector= Selector.open();
//創建serverSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
//綁定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
//必須得設置成非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//將channel注冊到selector并設置監聽事件為ACCEPT
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("===========NIO服務端啟動============");
while(true){
//超時等待
if(selector.select(1000)==0){
System.out.println("===========NIO服務端超時等待============");
continue;
}
// 有客戶端請求被輪詢監聽到，獲取返回的SelectionKey集合
Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator();
//迭代器遍歷SelectionKey集合
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey key=iterator.next();
// 判斷是否為ACCEPT事件
if (key.isAcceptable()){
// 處理接收請求事件
SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
//非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 注冊到Selector并設置監聽事件為READ
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
System.out.println("成功連接客戶端");
}
//判斷是否為READ事件
if (key.isReadable()){
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
try {
// 獲取以前設置的附件對象，如果沒有則新建一個
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
if (buffer == null) {
buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
key.attach(buffer);
}
// 清空緩沖區
buffer.clear();
// 將通道中的數據讀到緩沖區
int len = socketChannel.read(buffer);
if (len > 0) {
buffer.flip();
String message = new String(buffer.array(), 0, len);
System.out.println("收到客戶端消息：" + message);
} else if (len < 0) {
// 接收到-1，表示連接已關閉
key.cancel();
socketChannel.close();
continue;
}
// 注冊寫事件，下次向客戶端發送消息
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
} catch (IOException e) {
// 取消SelectionKey并關閉對應的SocketChannel
key.cancel();
socketChannel.close();
}
}
//判斷是否為WRITE事件
if (key.isWritable()){
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
//獲取buffer
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
String hello = "你好，坤坤！";
//清空buffer
buffer.clear();
//buffer中寫入消息
buffer.put(hello.getBytes());
buffer.flip();
//向channel中寫入消息
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
System.out.println("向客戶端發送消息：" + hello);
// 設置下次讀寫操作，向 Selector 進行注冊
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
}
// 移除本次處理的SelectionKey,防止重復處理
iterator.remove();
}
}
}
}- NioClient
public class NioClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 創建SocketChannel并指定ip地址和端口號
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
System.out.println("==============NIO客戶端啟動================");
// 非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
String hello="你好，靚仔！";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes());
// 向通道中寫入數據
socketChannel.write(buffer);
System.out.println("發送消息：" + hello);
buffer.clear();
// 將channel注冊到Selector并監聽READ事件
socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer);
while (true) {
// 讀取服務端數據
if (socketChannel.read(buffer) > 0) {
buffer.flip();
String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit());
System.out.println("收到服務端消息：" + msg);
break;
}
}
// 關閉輸入流
socketChannel.shutdownInput();
// 關閉SocketChannel連接
socketChannel.close();
}
}- 先運行NioServer，再運行NioClient，運行結果：
===========NIO服務端啟動============
===========NIO服務端超時等待============
===========NIO服務端超時等待============
成功連接客戶端
收到客戶端消息：你好，靚仔！
向客戶端發送消息：你好，坤坤！==============NIO客戶端啟動================
發送消息：你好，靚仔！
收到服務端消息：你好，坤坤！我們在這個案例里實現了一個比較簡單的Java NIO 客戶端服務端通信，里面有兩個小的點需要注意，注冊到選擇器上的通道都必須要為非阻塞模型，同時通過緩沖區傳輸數據時，必須要調用flip()方法切換為讀取模式。
代碼流程示意圖
Java-NIO中有三個核心概念：**Buffer（緩沖區）、Channel（通道）、Selector（選擇器）**。
Java NIO
- 每個客戶端連連接本質上對應著一個Channel通道，每個通道都有自己的Buffer緩沖區來進行讀寫，這些Channel被Selector選擇器管理調度
- Selector負責輪詢所有已注冊的Channel，監聽到有事件發生，才提交給服務端線程處理，服務端線程不需要做任何阻塞等待，直接在Buffer里處理Channel事件的數據即可，處理完馬上結束，或返回線程池供其他客戶端事件繼續使用。
- 通過Selector，服務端的一個Thread就可以處理多個客戶端的請求
- Buffer（緩沖區）就是飯店用來存放食材的儲藏室，當服務員點餐時，需要從儲藏室中取出食材進行制作。
- Channel（通道）是用于傳輸數據的車道，就像飯店里的上菜窗口，可以快速把點好的菜品送到客人的桌上。
- Selector（選擇器）就是大堂經理，負責協調服務員、廚師和客人的配合和溝通，以保證整個就餐過程的效率和順暢。
Java AIO
Java-AIO也被成為NIO2，它是在NIO的基礎上，引入了新的異步通道的概念，并提供了異步文件通道和異步套接字的實現。
異步通道的實現體系
它們的主要區別就在于這個異步通道，見名知意：使用異步通道去進行IO操作時，所有操作都為異步非阻塞的，當調用read()/write()/accept()/connect()方法時，本質上都會交由操作系統去完成，比如要接收一個客戶端的數據時，操作系統會先將通道中可讀的數據先傳入read()回調方法指定的緩沖區中，然后再主動通知Java程序去處理。
我們還是先來看個Demo：
- AioServer
/**
* @Author 三分惡
* @Date 2023/5/1
* @Description AIO服務端
*/
public class AioServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 創建異步通道組，處理IO事件
AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
//創建異步服務器Socket通道，并綁定端口
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888));
System.out.println("=============AIO服務端啟動=========");
// 異步等待接收客戶端連接
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
// 創建ByteBuffer
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
System.out.println("客戶端連接成功");
try {
buffer.clear();
// 異步讀取客戶端發送的消息
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("收到客戶端消息：" + message);
// 異步發送消息給客戶端
channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好，阿坤！").getBytes()), null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
@Override
public void completed(Integer result, Object attachment) {
// 關閉輸出流
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();
}
// 繼續異步等待接收客戶端連接
server.accept(null, this);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
// 繼續異步等待接收客戶端連接
server.accept(null, this);
}
});
// 等待所有連接都處理完畢
group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
}
}- AioClient
/**
* @Author 三分惡
* @Date 2023/5/1
* @Description AIO客戶端
*/
public class AioClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 創建異步Socket通道
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
// 異步連接服務器
client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler<Void, Object>() {
// 創建ByteBuffer
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好，靚仔！").getBytes());
@Override
public void completed(Void result, Object attachment) {
// 異步發送消息給服務器
client.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
// 創建ByteBuffer
final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
@Override
public void completed(Integer result, Object attachment) {
readBuffer.clear();
// 異步讀取服務器發送的消息
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("收到服務端消息：" + 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();
}
}
});
// 等待連接處理完畢
Thread.sleep(1000);
// 關閉輸入流和Socket通道
client.shutdownInput();
client.close();
}
}- 看下運行結果
=============AIO服務端啟動=========
客戶端連接成功
收到客戶端消息：你好，靚仔！收到服務端消息：你好，阿坤！可以看到，所有的操作都是異步進行，通過completed接收異步回調，通過failed接收錯誤回調。
而且我們發現，相較于之前的NIO而言，AIO其中少了Selector選擇器這個核心組件，選擇器在NIO中充當了協調者的角色。
但在Java-AIO中，類似的角色直接由操作系統擔當，而且不是采用輪詢的方式監聽IO事件，而是采用一種類似于“訂閱-通知”的模式。
Java AIO簡圖
在AIO中，所有創建的通道都會直接在OS上注冊監聽，當出現IO請求時，會先由操作系統接收、準備、拷貝好數據，然后再通知監聽對應通道的程序處理數據。
Java-AIO這種異步非阻塞式IO也是由操作系統進行支持的，在Windows系統中提供了一種異步IO技術：IOCP(I/O Completion Port，所以Windows下的Java-AIO則是依賴于這種機制實現。不過在Linux系統中由于沒有這種異步IO技術，所以Java-AIO在Linux環境中使用的還是epoll這種多路復用技術進行模擬實現的。
因為Linux的異步IO技術實際上不太成熟，所以Java-AIO的實際應用并不是太多，比如大名鼎鼎的網絡通信框架Netty就沒有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代碼層面，自行實現異步。
小結
那么這期我們就快速過了一下Java的三種IO機制，它們的特點，我們直接看下圖：
Java三種IO模型
我們也發現，雖然Java-NIO、Java-AIO，在性能上比Java-BIO要強很多，但是可以看到，寫法上一個比一個難搞，不過好在基本也沒人直接用Java-NIO、Java-AIO，如果要進行網絡通信，一般都會采用Netty，它對原生的Java-NIO進行了封裝優化，接下來，我們會繼續走近Netty，敬請期待。
參考：
[1].《Netty權威指南》
[2].https://juejin.cn/post/7130952602350534693#heading-14
[3].https://www.jianshu.com/p/670033e5b916
責任編輯：武曉燕
來源：
三分惡
