Java的IO模型详解-BIO,NIO,AIO

news2024/11/6 7:30:20

一、BIO相关知识

Java 的 BIO (Blocking I/O) 模型是基于传统的同步阻塞 I/O 操作。在这种模型中，每个客户端连接都需要一个独立的线程来处理请求。当线程正在执行 I/O 操作时（如读取或写入），它会被阻塞，直到操作完成。

读写模型

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BIO 概述

BIO 是 Java 中最简单的 I/O 模型之一，它使用 java.io 包中的类来实现，例如 InputStream, OutputStream, Reader, 和 Writer。在 BIO 模型中，每当有客户端连接到来时，服务器就会创建一个新的线程来处理这个连接上的所有读写操作。

BIO 特点

  • 同步：读写操作是同步进行的，即必须等待一个操作完成后才能继续下一步操作。
  • 阻塞：当线程调用 I/O 方法时，如果数据没有准备好，线程就会被阻塞，直到数据准备好为止。
  • 每连接一线程：对于每一个客户端连接，服务器都会分配一个线程来处理该连接的所有 I/O 操作。
  • 简单易用：BIO 的实现比较简单，易于理解和使用。
  • 低效：在高并发的情况下，由于每个连接都需要一个线程，因此线程的创建和管理成本较高，可能导致服务器资源耗尽。

BIO 实现示例

下面是一个简单的 BIO 服务器端实现示例，该服务器接收客户端的连接，并打印出客户端发送的消息。

服务器端
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080; // 服务器监听端口
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port)) {
            System.out.println("Server started on port " + port);

            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                new Thread(new ClientHandler(clientSocket)).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class ClientHandler implements Runnable {
        private final Socket socket;

        public ClientHandler(Socket socket) {
            this.socket = socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                 PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {
                String inputLine;
                while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println("Received from client: " + inputLine);
                    if ("bye".equalsIgnoreCase(inputLine)) {
                        break;
                    }
                    out.println("Echo: " + inputLine);
                }
                System.out.println("Client disconnected.");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
客户端

接下来是一个简单的 BIO 客户端实现示例，该客户端向服务器发送消息并接收服务器的响应。

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class BioClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost";
        int port = 8080;

        try (Socket socket = new Socket(serverAddress, port);
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {
            out.println("Hello, server!");
            out.println("Another message.");
            out.println("bye");

            String response;
            while ((response = in.readLine()) != null) {
                System.out.println("Received from server: " + response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

二、NIO相关知识点

Java 的 NIO (New I/O) 模型是在 Java 1.4 中引入的，它提供了一种新的方式来处理输入输出操作，相比于传统的 BIO (Blocking I/O) 模型，NIO 提供了更高的性能和更灵活的编程模型。NIO 主要包括三个核心组件：缓冲区(Buffer)、通道(Channel) 和选择器(Selector)。

读写模型

在这里插入图片描述

NIO 核心概念

  • 缓冲区(Buffer)：缓冲区用于存储不同类型的二进制数据。与流不同的是，缓冲区可以保存数据，可以对数据进行读写操作，也可以在缓冲区之间复制数据。在 NIO 中，所有数据都是通过缓冲区进行操作的。

  • 通道(Channel)：通道类似于流，但是它可以双向读写数据。通道可以从文件系统、网络等地方获取或发送数据。与流不同的是，通道可以与缓冲区交互，也就是说数据可以被读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

  • 选择器(Selector)：选择器允许单个线程监控多个通道的状态，比如哪些通道是可读的、哪些是可写的。这使得一个线程可以同时处理多个客户端连接，大大提高了并发处理能力。

NIO 特点

  • 非阻塞：NIO 允许非阻塞 I/O 操作，即使没有数据可用，线程也不会被阻塞，而是可以继续执行其他任务。
  • 高效：由于使用了缓冲区和选择器，NIO 可以在一个线程中处理多个连接，减少了线程的创建和销毁所带来的开销。
  • 复杂性：相比于 BIO，NIO 的编程模型更为复杂，需要更深入地理解缓冲区和通道的概念。

NIO 实现示例

下面是一个简单的 NIO 服务器端实现示例，该服务器接收客户端的连接，并打印出客户端发送的消息。

服务器端
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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080; // 服务器监听端口
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            System.out.println("Server started on port " + port);

            while (true) {
                selector.select();

                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();

                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();

                    if (key.isAcceptable()) {
                        acceptConnection(serverSocketChannel, selector);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        readData(key);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void acceptConnection(ServerSocketChannel serverSocketChannel, Selector selector) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = serverSocketChannel.accept();
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        System.out.println("Client connected: " + clientChannel.getRemoteAddress());
    }

    private static void readData(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        int numRead;
        while ((numRead = clientChannel.read(buffer)) > 0) {
            buffer.flip();
            byte[] data = new byte[numRead];
            buffer.get(data);
            String received = new String(data, "UTF-8");
            System.out.println("Received from client: " + received);
            buffer.clear();
        }

        if (numRead == -1) { // 如果客户端关闭了连接
            clientChannel.close();
            key.cancel();
        }
    }
}
客户端

下面是一个简单的 NIO 客户端实现示例，该客户端向服务器发送消息并接收服务器的响应。

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class NioClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost";
        int port = 8080;

        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(serverAddress, port));
            socketChannel.configureBlocking(false);

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            buffer.put("Hello, server!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();

            buffer.put("Another message.".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();

            buffer.put("bye".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();

            while (socketChannel.isOpen()) {
                buffer.clear();
                int numRead = socketChannel.read(buffer);
                if (numRead == -1) {
                    break;
                }

                buffer.flip();
                byte[] data = new byte[numRead];
                buffer.get(data);
                System.out.println("Received from server: " + new String(data, StandardCharsets.UTF_8));
                buffer.clear();
            }

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

三、AIO相关知识

Java 的 AIO (Asynchronous I/O) 模型是在 Java 7 中引入的，它是 NIO 的扩展，支持真正的异步 I/O 操作。AIO 有时也被称作 NIO 2，因为它是 NIO 的后续版本，增强了 NIO 的功能。

读写模型

在这里插入图片描述

AIO 概念

AIO 的关键概念是异步非阻塞 I/O。在 AIO 中，应用程序发起一个 I/O 请求后，可以立即返回并继续执行其他任务，而不需要等待 I/O 操作完成。当 I/O 操作完成后，应用程序会被通知。

AIO 组件

AIO 主要涉及以下组件：

  • AsynchronousFileChannel：用于异步地读取、写入和映射文件。
  • AsynchronousSocketChannel：用于异步地处理网络连接。
  • AsynchronousServerSocketChannel：用于异步地接受新的连接。
  • CompletionHandler：用于处理异步 I/O 操作完成时的回调。

AIO 特点

  • 异步性：AIO 支持真正的异步 I/O 操作，这意味着线程可以在发起 I/O 操作后立即返回，而不是等待操作完成。
  • 非阻塞：线程不会因为等待 I/O 操作而被阻塞，可以继续执行其他任务。
  • 高并发：AIO 适合处理高并发的场景，因为它可以有效地利用少量线程处理大量的 I/O 操作。
  • 复杂性：相比 BIO 和 NIO，AIO 的编程模型更为复杂，需要熟悉异步编程的概念。

AIO 实现示例

下面是一个简单的 AIO 服务器端实现示例，该服务器接收客户端的连接，并打印出客户端发送的消息。

服务器端
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) {
        int port = 8080; // 服务器监听端口
        try (AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(port))) {
            System.out.println("Server started on port " + port);

            serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Void attachment) {
                    serverChannel.accept(null, this);

                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    result.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                            attachment.flip();
                            byte[] data = new byte[attachment.remaining()];
                            attachment.get(data);
                            System.out.println("Received from client: " + new String(data));
                            result.write(ByteBuffer.wrap("Echo: ".getBytes()), ByteBuffer.wrap(data), new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                                @Override
                                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                                    attachment.flip();
                                    result.read(attachment, attachment, this);
                                }

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

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

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

            while (true) {
                Thread.sleep(1000); // 让服务器运行
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
客户端

下面是一个简单的 AIO 客户端实现示例，该客户端向服务器发送消息并接收服务器的响应。

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

public class AioClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost";
        int port = 8080;

        try (AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open()) {
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(serverAddress, port), null, new CompletionHandler<Void, Void>() {
                @Override
                public void completed(Void result, Void attachment) {
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    buffer.put("Hello, server!".getBytes());
                    buffer.flip();
                    socketChannel.write(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                            attachment.clear();
                            buffer.put("Another message.".getBytes());
                            buffer.flip();
                            socketChannel.write(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                                @Override
                                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                                    attachment.clear();
                                    buffer.put("bye".getBytes());
                                    buffer.flip();
                                    socketChannel.write(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                                        @Override
                                        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                                            buffer.clear();
                                            socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                                                @Override
                                                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                                                    attachment.flip();
                                                    byte[] data = new byte[attachment.remaining()];
                                                    attachment.get(data);
                                                    System.out.println("Received from server: " + new String(data));
                                                    socketChannel.close();
                                                }

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

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

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

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

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

            while (true) {
                Thread.sleep(1000); // 让客户端运行
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

总结

为了便于类比，所以样例代码都是使用了客户端和服务端的交互代码实现。通过比对不难发现一下特点：

  • BIO：简单，易于理解，但在高并发情况下效率较低。
  1. 发起读请求
  2. 等待数据(阻塞)
  3. 返回(数据已经准备好了)
  • NIO：提高了效率，支持非阻塞 I/O，但编程复杂度增加。
  1. 发起读请求
  2. 请求返回，可以继续做自己的事情
  3. 问一下数据好了没?
  4. 没好， 直接返回
  5. 哈了， 等待数据拷贝好， 返回
  • AIO：进一步提高了效率，支持真正的异步 I/O，但编程复杂度最高。
  1. 发起读请求
  2. 请求返回，做自己的事情
  3. 数据准好了， 提醒请求方数据可以用了
  • 其他说明
  1. 实际编程中， 使用较多的是bio， 因为其代码简单，易于理解。
  2. nio则一般用于框架核心级别的代码， 编程难度介于BIO和AIO之间， 且有如netty之类的较为成熟的框架面世
  3. aio 是三种IO当中效率最高的， 但是因其编程难度极高， 目前的使用案例较少。而一般开发过程更是很少用到aio.

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