java架构之路-（netty专题）初步认识BIO、NIO、AIO

　　本次我们主要来说一下我们的IO阻塞模型，只是不多，但是一定要理解，对于后面理解netty很重要的

IO模型精讲 

　　IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java共支持3种网络编程IO模式：BIO，NIO，AIO。

BIO

　　BIO(Blocking IO) 同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程。也是我们熟悉的同步阻塞模型，先别管那个同步的概念，我们先来看一下什么是阻塞，简单来一段代码。

　　服务端：

package com.xiaocai.bio;

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

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。。");
            //阻塞方法
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            handler(socket);
        }
    }

    private static void handler(Socket socket) throws IOException {
        System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
        byte[] bytes = new byte[1024];

        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
            System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());

        }
        socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
    }
}

　　客户端

package com.xiaocai.bio;

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

public class SocketClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 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();
    }
}

　　这个就是一个简单的BIO服务端代码，就是要准备接受线程访问的代码段。这一个单线程版本什么意思呢？

　　我们先开启一个端口为9000的socket服务，然后运行Socket socket = serverSocket.accept();意思就是等待线程的出现，我们来接收客户端的请求，这个方法时阻塞的，也是只有在阻塞状态才可以接收到我们的请求。当有请求进来时，运行handler(socket);方法，中间是打印线程ID的方法不解释，int read = socket.getInputStream().read(bytes);准备读取我们的客户端发送数据。read和write可能会混淆，我画个图来说一下。

　　我们也可以看到我们的客户端也是先拿到socket连接（Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9000)），然后要往服务端写入数据（socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());）以byte字节形式写入。这时我们的服务端等待read我们的客户端weite的数据，会进入阻塞状态，如果我们的客户端迟迟不写数据，我们的客户端一直是阻塞状态，也就无法接收到新的请求，因为阻塞了，没法回到我们的Socket socket = serverSocket.accept();去等待客户端请求，只要在serverSocket.accept阻塞时才可以接收新的请求。于是我们采取了多线程的方式来解决这个问题，我们来看一下代码。

package com.xiaocai.bio;

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

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。。");
            //阻塞方法
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(socket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

    private static void handler(Socket socket) throws IOException {
        System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
        byte[] bytes = new byte[1024];

        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
            System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());

        }
        socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
    }
}

　　我们这时每次有客户端来新的请求时，我们就会开启一个线程来处理这个请求，及时你的客户端没有及时的write数据，虽然我们的服务端read进行了阻塞，也只是阻塞了你自己的线程，不会造成其它请求无法接收到。

　　这样的处理方式貌似好了很多很多，其实不然，想一个实例，我们的看小妹直播时，一句欢迎榜一大哥，弹幕很多，加入一次性来了100弹幕还好，我们开启100个线程来处理，如果一起来了十万弹幕呢？难道你要开启十万个线程来处理这些弹幕嘛？很显然BIO还是有弊端的，BIO还是有优点的（代码少，不容易出错）。

NIO

　　NIO(Non Blocking IO) 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(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。 可能概念太抽象了，我来举个例子吧，现在有两个小区都有很多的房子出租，BIO小区和NIO小区，都有一个门卫，BIO小区，来了一个租客，门卫大爷就拿着钥匙，带这个租客去看房子了，后面来的租客都暂时无法看房子了，尴尬...想同时多人看房子，必须增加门卫大爷的数量，而我们的NIO小区就很聪明，还是一个门卫大妈，来了一个租客要看房子，门卫大妈，给了那个租客一把钥匙，并且告诉他哪房间是空的，你自己进去看吧，及时这个租客看房子慢，耽误了很多时间也不怕了，因为门卫大妈一直在门卫室，即使又来了新的租客，门卫大妈也是如此，只给钥匙和空房间地址就可以了。这个例子反正我记得很清楚，也觉得很贴切，这里提到了一个钥匙的概念，一会告诉你们是做什么的，我们先看一下代码。

　　服务端

package com.xiaocai.nio;

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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class NIOServer {

    //public static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道.并设置为非阻塞方式
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //必须配置为非阻塞才能往selector上注册，否则会报错，selector模式本身就是非阻塞模式
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 创建一个选择器selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            System.out.println("等待事件发生。。");
            // 轮询监听channel里的key，select是阻塞的，accept()也是阻塞的
            int select = selector.select();

            System.out.println("有事件发生了。。");
            // 有客户端请求，被轮询监听到
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = it.next();
                //删除本次已处理的key，防止下次select重复处理
                it.remove();
                handle(key);
            }
        }
    }

    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        if (key.isAcceptable()) {
            System.out.println("有客户端连接事件发生了。。");
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //NIO非阻塞体现：此处accept方法是阻塞的，但是这里因为是发生了连接事件，所以这个方法会马上执行完，不会阻塞
            //处理完连接请求不会继续等待客户端的数据发送
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            sc.configureBlocking(false);
            //通过Selector监听Channel时对读事件感兴趣
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            System.out.println("有客户端数据可读事件发生了。。");
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //NIO非阻塞体现:首先read方法不会阻塞，其次这种事件响应模型，当调用到read方法时肯定是发生了客户端发送数据的事件
            int len = sc.read(buffer);
            if (len != -1) {
                System.out.println("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
            ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
            sc.write(bufferToWrite);
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        } else if (key.isWritable()) {
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            System.out.println("write事件");
            // NIO事件触发是水平触发
            // 使用Java的NIO编程的时候，在没有数据可以往外写的时候要取消写事件，
            // 在有数据往外写的时候再注册写事件
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            //sc.close();
        }
    }
}

　　客户端

package com.xiaocai.nio;

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;

public class NioClient {
    //通道管理器
    private Selector selector;

    /**
     * 启动客户端测试
     *
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NioClient client = new NioClient();
        client.initClient("127.0.0.1", 9000);
        client.connect();
    }

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     *
     * @param ip   连接的服务器的ip
     * @param port 连接的服务器的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip, int port) throws IOException {
        // 获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();

        // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect() 才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     *
     * @throws IOException
     */
    public void connect() throws IOException {
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                it.remove();
                // 连接事件发生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    // 如果正在连接，则完成连接
                    if (channel.isConnectionPending()) {
                        channel.finishConnect();
                    }
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes());
                    channel.write(buffer);
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);                                            // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 的事件
     *
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException {
        //和服务端的read方法一样
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int len = channel.read(buffer);
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

　　代码看到了很多很多，我来解释一下大概什么意思吧，这个NIO超级重要后面的netty就是基于这个写的，一定要搞懂，首先我们创建了一个ServerSocketChannel和一个选择器selector，设置为非阻塞的（固定写法，没有为什么），将我们的 selector绑定到我们的ServerSocketChannel上，然后运行selector.select();进入阻塞状态，别担心，这个阻塞没影响，为我们提供了接收客户端的请求，你没有请求，我阻塞着，不会耽误你们什么的。

　　回到我们的客户端，还是差不多的样子，拿到我们的NioClient开始连接我们的服务端，这个时候，我们的服务端接收到了我们的客户端请求，阻塞状态的selector.select()继续运行，并且给予了一个SelectionKey（Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator()）也就是我们刚才的小例子中提到的钥匙，key=钥匙，还算是靠谱吧~！开始运行我们的handle方法，有个if else，这个是说，你是第一次请求要建立通道，还是要写数据，还是要读取数据，记住啊，读写都是相对的，自己多琢磨几次就可以转过圈来了，就是我上面画图说的read和write。拿我们的建立通道来说，通过我们的钥匙key你就可以得到ServerSocketChannel，然后进行设置下次可能会发生的读写事件，然后看我们的读事件，我们看到了int len = sc.read(buffer)这个读在我们的BIO中是阻塞的，而我们的NIO这个方法不是阻塞的，这也就体现出来了我们的BIO同步阻塞和NIO同步非阻塞，阻塞和非阻塞的区别也就说完了。画个图，我们来看一下我们的NIO模型。

　　NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(选择器)

　　这里我们的Buffer没有去说，到netty会说的， Channel(通道)， Buffer(缓冲区)都是双向的，现在回过头来想想我举的小例子，selector门卫大妈，SelectionKey钥匙。对于NIO有了一些理解了吧，NIO看着很棒的，但是你有想过写上述代码的痛苦吗？

AIO

　　AIO(NIO 2.0) 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。其实AIO就是对于NIO的二次封装，要不怎么叫做NIO2.0呢，我们来简单看一下代码。

　　服务端：

package com.xiaocai.aio;

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

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 {
                    // 再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

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

        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

　　客户端：

package com.xiaocai.aio;

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

public class AIOClient {

    public static void main(String... args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

　　阻塞非阻塞都明白了，这里来解释一下同步，我们看到我们的AIO在serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {}直接开启了线程，也就是说accept直接以后，我不再需要考虑阻塞情况，可以继续运行下面的代码了，也就是我们说到的异步执行，内部还是我们的NIO，不要觉得AIO多么的6B，内部就是封装了我们的NIO，性能和NIO其实差不多的，可能有些时候还不如NIO（未实测）。

　　遗漏一个知识点，NIO的多路复用器是如何工作的，在我们的JDK1.5以前的，多路复用器是数组和链表的方式来遍历的，到了我们的JDK1.5采用hash来回调的。

 总结：

　　我们这次主要说了BIO、NIO、AIO三个网络编程IO模式，最重要的就是我们的NIO，一张图来总结一下三个IO的差别吧。

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