Java中的BOI、NIO和AIO

2023-10-08 00:59
文章标签 java nio boi aio

本文主要是介绍Java中的BOI、NIO和AIO，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

  • BIO(同步阻塞IO)

我们熟知的Socket编程就是一种BIO，一个socket连接一个处理线程（这个线程负责这个Socket连接的一系列数据传输操作）。阻塞的原因在于：操作系统允许的线程数量是有限的，多个socket申请与服务端建立连接时，服务端不能提供相应数量的处理线程，没有分配到处理线程的连接就会阻塞等待或被拒绝。

比如说，当我们最开始使用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，它负责绑定IP地址，启动监听端口；然后，Socket负责发起连接操作，连接成功建立后，双方通过输入输出流进行同步阻塞式通信；如果没有成功建立，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

简单描述一下BIO的服务端通信模型：采用BIO通信模型的服务端，通常由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的连接，它接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理每次处理完成后，通过输出流返回应答给客户端，线程销毁。即典型的一请求一应答通宵模型。

该模型最大的问题就是缺乏弹性伸缩能力，当客户端并发访问量增加后，服务端的线程个数和客户端并发访问数呈1:1的正比关系，Java中的线程也是比较宝贵的系统资源，线程数量快速膨胀后，系统的性能将急剧下降，随着访问量的继续增大，系统最终就死掉了

  • 反应器(reactor)模式

使用单线程模拟多线程，提高资源利用率和程序的效率，增加系统吞吐量

一个老板经营一个饭店，

传统模式à来一个客人安排一个服务员招呼，客人很满意；(相当于一个连接一个线程)

后来客人越来越多，需要的服务员越来越多，资源条件不足以再请更多的服务员了，传统模式已经不能满足需求。

老板之所以为老板自然有过人之处，老板发现，服务员在为客人服务时，当客人点菜的时候，服务员基本处于等待状态，(阻塞线程，不做事）。

于是乎就让服务员在客人点菜的时候，去为其他客人服务，当客人菜点好后再招呼服务员即可。à反应器(reactor)模式诞生了

饭店的生意红红火火，几个服务员就足以支撑大量的客流量，老板用有限的资源赚了更多的MONEY

  • NIO(同步非阻塞IO)
    1. NIO(New IO)是一个可以替代标准Java IO API的IO API（从Java 1.4开始)，Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式。

标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

Java NIO可以让你非阻塞的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。

Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。

    1. 缓冲区(Buffer)：为什么说NIO是基于缓冲区的IO方式呢？因为，当一个链接建立完成后，IO的数据未必会马上到达，为了当数据到达时能够正确完成IO操作，在BIO（阻塞IO）中，等待IO的线程必须被阻塞，以全天候地执行IO操作。为了解决这种IO方式低效的问题，引入了缓冲区的概念，当数据到达时，可以预先被写入缓冲区，再由缓冲区交给线程，因此线程无需阻塞地等待IO。

缓冲区分类：

      1. ByteBuffer：字节缓冲区
      2. MappedByteBuffer：直接字节缓冲区，其内容是文件的内存映射区域
      3. CharBuffer：字符缓冲区
      4. DoubleBuffer：double缓冲区
      5. FloatBuffer：float缓冲区
      6. IntBuffer：int缓冲区
      7. LongBuffer：long缓冲区
      8. ShortBuffer：short缓冲区

常用属性：

序号

属性描述

1

capacity
缓冲区大小，无论是读模式还是写模式，此属性值不会变

2

position

写数据时，position表示当前写的位置，每写一个数据，会向下移动一个数据单元，初始为0；最大为capacity - 1切换到读模式时，position会被置为0，表示当前读的位置

3

limit
写模式下，limit 相当于capacity 表示最多可以写多少数据，切换到读模式时，limit 等于原先的position，表示最多可以读多少数据。

常用方法：

序号

方法描述

1

public static ByteBuffer allocate(int capacity)
分配一个新的字节缓冲区

2

public ByteBuffer get(byte[]dst)
此方法将此缓冲区的字节传输到给定的目标数组中。

3

public ByteBuffer put(byte[]dst)
此方法将给定的源 byte 数组的所有内容传输到此缓冲区中。

4

public final Buffer flip();
将缓冲区从写模式切换到读模式

5

public Buffer clear();
从读模式切换到写模式，不会清空数据，但后续写数据会覆盖原来的数据，即使有部分数据没有读，也会被遗忘。

    1. 通道(Channel)：类似于流，但是可以异步读写数据（流只能同步读写），通道是双向的，（流是单向的），通道的数据总是要先读到一个buffer 或者 从一个buffer写入，即通道与buffer进行数据交互。
      1. FileChannel：从文件中读写数据。
      2. DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据。
      3. SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据。

创建一个SocketChannel

SocketChannel channel = SocketChannel.open();

请求服务器

channel.connect(IP,Port);

      1. ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

创建一个ServerSocketChannel

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

绑定指定端口号9999

ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

关闭ServerSocketChannel

ssc.close();

非阻塞模式false(阻塞模式true)

ssc.configureBlocking(false);

监听新进来的channel(客户端的channel)

SocketChannel channel = ssc.accept();

注意：一般都是死循环方式，一直监听，如果channel非null，则获取到客户端的channel，否则继续监听

注意：FileChannel比较特殊，它可以与通道进行数据交互， 不能切换到非阻塞模式，套接字通道可以切换到非阻塞模式；

    1. 通道和缓冲区：

基本上，所有的IO在NIO中都从一个Channel开始。Channel有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：

    1. 选择器：Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

选择器：相当于一个观察者，用来监听通道感兴趣的事件，一个选择器可以绑定多个通道。

      1. 选择器的创建

Selector selector=Selector.open();

      1. 向选择器注册通道

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKey.事件);

一共有四种事件

SelectionKey.OP_CONNECT  ：请求连接

SelectionKey.OP_ACCEPT  ：接收请求

SelectionKey.OP_READ  ：读取

SelectionKey.OP_WRITE  ：写入

注意：使用选择器时，通道必须是非阻塞的

selector.select(); //代表注册的事件发生是可以执行它下边的代码，否则阻塞

      1. SelectionKey

ServerSocketChannel ssc = (强转)key.channel();

SocketChannel sc = (强转)key.channel();

      1. 通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

int select()

int select(long timeout)

int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

      1. 关闭选择器

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

  • AIO(异步阻塞IO)

AIO是异步IO的缩写，虽然NIO在网络操作中，提供了非阻塞的方法，但是NIO的IO行为还是同步的。对于NIO来说，我们的业务线程是在IO操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程自行进行IO操作，IO操作本身是同步的。

但是对AIO来说，则更加进了一步，它不是在IO准备好时再通知线程，而是在IO操作已经完成后，再给线程发出通知。因此AIO是不会阻塞的，此时我们的业务逻辑将变成一个回调函数，等待IO操作完成后，由系统自动触发。

AsynchronousServerSocketChannel用于服务器端，只要三步

    1. 调用open()静态方法创建AsynchronousServerSocketChannel。
    2. 调用AsynchronousServerSocketChannel的bind()方法让它在指定的IP地址，指定端口监听。
    3. 调用AsynchronousServerSocketChannel的accept()方法接受请求。

// ①创建AsynchronousServerSocketChannel对象。

AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();

// ②调用bind()方法让它在指定的IP和端口进行监听

serverChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));

while(true){

// ③采用循环接受来自客户端的连接

Future<AsynchronousSocketChannel> future = serverChannel.accept();

// 获取连接完成后返回的AsynchronousSocketChannel

AsynchronousSocketChannel socketChannel = future.get();

// 执行输出。

socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("欢迎你来自AIO的世界！".getBytes("UTF-8"))).get();

}

AsynchronousSocketChannel用于客户端，它的用法分三步

    1. 调用open静态方法创建AsynchronousSocketChannel。
    2. 调用AsynchronousSocketChannel的connect()方法连接到指定的IP地址，指定端口的服务器
    3. 调用read() , write()方法。

// 用于读取数据的ByteBuffer。

ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);

Charset utf = Charset.forName("utf-8");

// ①创建AsynchronousSocketChannel对象

AsynchronousSocketChannel clientChannel = AsynchronousSocketChannel.open();

// ②连接远程服务器

clientChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT)).get();

buff.clear();

// ③从clientChannel中读取数据

clientChannel.read(buff).get();    

buff.flip();

// 将buff中内容转换为字符串

String content = utf.decode(buff).toString();

System.out.println("服务器信息：" + content);

  • BIO、NIO和AIO

同步阻塞IO（JAVA BIO）： 
    同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。 
同步非阻塞IO(Java NIO) ：

同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。用户进程也需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问。 
异步阻塞IO（Java NIO）：  
   此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄（如果从UNP的角度看，select属于同步操作。因为select之后，进程还需要读写数据），从而提高系统的并发性！

           

BIO、NIO、AIO适用场景分析: 
    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，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。 
    NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。 
    AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。 

 

这篇关于Java中的BOI、NIO和AIO的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/161633。

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