java 的三种IO模型（BIO、NIO、AIO）
- 一、BIO 阻塞式 IO（Blocking IO）
- 1.1、BIO 工作机制
- 1.2、BIO 实现单发单收
- 1.3、BIO 实现多发多收
- 1.4、BIO 实现客户端服务端多对一
- 1.5、BIO 模式下的端口转发思想
- 二、NIO 同步非阻塞式 IO（Non-blocking IO）
- 2.1、NIO 3个核心组件（缓冲区、通道、选择器）
- 2.2、NIO 主要特性
- 2.3、NIO 与 BIO 的对比
- 2.4、Buffer 常用子类
- 2.5、Buffer 重要属性
- 三、AIO 异步式 IO（Asynchronous IO）
- 3.1、AIO 核心组件（异步通道、完成处理器）
一、BIO 阻塞式 IO（Blocking IO）
每个客户端连接都会在一个独立的线程中处理，并且这个线程在处理 IO 操作时会阻塞，直到操作完成。
- 每个连接都需要一个独立的线程，连接数较多时，会消耗大量的内存和 CPU 资源
- 线程在处理 IO 操作时会阻塞
1.1、BIO 工作机制
- 客户端通过 Socket 对象与服务端建立连接，从 Socket 中得到字节输入流或输出流进行数据读写。
- 服务端通过
ServerSocket注册端口，调用accept方法监听客户端 Socket 请求，从 Socket 中得到字节输入流或输出流进行数据读写。
1.2、BIO 实现单发单收
客户端：
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
try {
//与服务端连接
socket = new Socket("127.0.0.1", 5000);
//从 socket 管道中获取字节输出流
OutputStream os = socket.getOutputStream();
//将字节输出流包装为打印流
PrintStream ps = new PrintStream(os);
//发一行数据
ps.println("Hi BIO! 与服务端通信成功");
ps.flush();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
服务端：
public static void main(String[] args) {
System.out.println("===服务端启动===");
ServerSocket serverSocket = null;
try {
//注册端口
serverSocket = new ServerSocket(5000);
//监听客户端请求
Socket socket = serverSocket.accept();
//从 socket 管道中获取字节输入流
InputStream is = socket.getInputStream();
//将字节输入流包装为缓冲字符输入流
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
String msg;
//读一行数据
if ((msg = br.readLine()) != null) {
System.out.println("服务端接收客户端信息为：" + msg);
}
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
}
1.3、BIO 实现多发多收
客户端：
public static void main(String[] args) {
try {
Socket socket = new Socket("localhost",9988);
OutputStream os = socket.getOutputStream();
PrintStream ps = new PrintStream(os);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true){
System.out.println("请输入：");
String input = scanner.nextLine();
ps.println(input);
ps.flush();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
服务端：
public static void main(String[] args) {
System.out.println("===服务端启动===");
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(9988);
Socket socket = ss.accept();
InputStream is = socket.getInputStream();
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
String message;
while ((message = br.readLine()) != null){
System.out.println("服务端接收客户端信息为：" + message);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
1.4、BIO 实现客户端服务端多对一
服务端：
public void listen() throws IOException {
ServerSocket serverSocket = null;
try {
log.info("服务启动监听");
serverSocket = new ServerSocket(9988);
//循环接收到客户端的连接
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
//得到连接后，开启一个线程处理连接
handleSocket(socket);
}
} finally {
if(serverSocket != null){
serverSocket.close();
}
}
}
private void handleSocket(Socket socket) {
HandleSocket socketHandle = new HandleSocket(socket);
new Thread(socketHandle).start();
}
public void run() {
BufferedInputStream bufferedInputStream = null;
BufferedOutputStream bufferedOutputStream = null;
try {
bufferedInputStream = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
byte[] bytes = new byte[1024];
int len ;
if ((len = bufferedInputStream.read(bytes)) > -1) {
String result = new String(bytes,0,len);
System.out.println("本次接收到的结果：" + result);
}
System.out.println("回复信息给客户端：");
bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
String outString = Thread.currentThread().getName() + "接收到了";
bufferedOutputStream.write(outString.getBytes());
bufferedOutputStream.flush();
} catch (IOException e) {
System.out.println("处理异常：" + e.getMessage());
} finally {
try {
if (bufferedInputStream != null) {
bufferedInputStream.close();
}
if (bufferedOutputStream != null) {
bufferedOutputStream.close();
}
}catch (IOException e){
System.out.println("关闭流异常：" + e.getMessage());
}
}
}
客户端：
public void start() throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8081);
String msg = "Hi,This is the BioClient";
BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
byte[] bytes = msg.getBytes();
bufferedOutputStream.write(bytes);
bufferedOutputStream.flush();
System.out.println("发送完毕");
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
byte[] inBytes = new byte[1024];
int len;
if ((len = bufferedInputStream.read(inBytes)) != -1) {
String result = new String(inBytes, 0, len);
System.out.println("接收到的消息="+result);
}
bufferedOutputStream.close();
bufferedInputStream.close();
socket.close();
}
1.5、BIO 模式下的端口转发思想
一个客户端的消息经由服务端发送给所有的客户端，实现群聊功能。
public class Server {
// 定义一个静态集合
public static List<Socket> allSocketOnLine = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
while (true){
Socket socket = ss.accept();
// 把登录的客户端socket存入到一个在线的集合中去
allSocketOnLine.add(socket);
// 为当前登录成功的socket分配一个独立的线程来处理
new ServerReaderThread(socket).start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class ServerReaderThread extends Thread{
private Socket socket;
public ServerReaderThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String msg;
while ((msg = br.readLine()) != null) {
// 发送给所有的在线socket
sendMsgToAllClient(msg);
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("有人下线了");
Server.allSocketOnLine.remove(socket);
}
}
/**
* 把当前客户端发来的消息发送给全部的在线socket
* @param msg
*/
private void sendMsgToAllClient(String msg) throws IOException {
for (Socket sk : Server.allSocketOnLine) {
PrintWriter pw = new PrintWriter(sk.getOutputStream());
pw.println(msg);
pw.flush();
}
}
}
二、NIO 同步非阻塞式 IO（Non-blocking IO）
允许线程在等待IO操作完成期间可以继续执行其他任务。
2.1、NIO 3个核心组件（缓冲区、通道、选择器）
缓冲区（Buffer）：用于存储数据的对象。数据从通道读取到缓冲区，或者从缓冲区写入到通道。
通道（Channel）：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道
选择器（Selector）：同时管理多个通道，通过注册通道的事件（如连接就绪、读就绪、写就绪），使用单个线程就能处理多个通道，从而管理多个网络连接，提高了效率。
2.2、NIO 主要特性
- 非阻塞I/O：允许线程在等待IO操作完成期间可以继续执行其他任务
- IO多路复用：通过选择器，NIO允许多个通道共用一个线程进行管理，减少了线程的资源消耗。
- 异步IO操作：可以在通道上注册事件和回调函数，实现非阻塞的IO操作
- 内存映射文件：将文件的一部分或全部直接映射到内存中，这样可以像访问内存一样访问文件，提高了文件处理的效率。
- 文件锁定：允许对文件的部分或全部进行锁定，从而控制对文件的并发访问。
2.3、NIO 与 BIO 的对比
- 面向流与面向缓冲：BIO 是面向流的，每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节；而 NIO 是面向缓冲区的。
- 阻塞与非阻塞：BIO 的流是阻塞的，当一个线程调用
read()或write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或数据完全写入；而 NIO 是非阻塞的，一个线程从某通道发送请求读取数据，它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。 - 线程开销：BIO 为每个客户端连接创建一个线程，在大量并发连接的情况下会带来巨大的线程开销；NIO 通过选择器实现
I/O多路复用，在一个线程中处理多个通道，减少了线程开销。
2.4、Buffer 常用子类
ByteBuffer：用于存储字节数据；CharBuffer：用于存储字符数据；ShortBuffer：用于存储Short类型数据；IntBuffer：用于存储Int类型数据；LongBuffer：用于存储Long类型数据；FloatBuffer：用于存储Float类型数据；DoubleBuffer：用于存储Double类型数据；
2.5、Buffer 重要属性
capacity(容量)：表示 Buffer 所占的内存大小，不能为负且创建后不能更改limit(限制)：表示 Buffer 中可以操作数据的大小，不能为负且不能大于 capacity
写模式下，表示最多能往 Buffer 里写多少数据，即 limit 等于 capacity
读模式下，表示最多能读到多少数据，即已写入的所有数据position(位置)：表示下一个要读取或写入的数据的索引
缓冲区位置不能为负，且不能大于其限制
初始 position 值为 0，最大为 capacity – 1。当一个 byte、long 等数据写到 Buffer 后， position 会向前移动到下一个可插入数据的 Buffer 单元mark(标记)：表示记录当前 position 的位置，可通过 reset() 恢复到 mark 的位置
三、AIO 异步式 IO（Asynchronous IO）
异步式IO操作不会阻塞线程，而是交由操作系统处理。完成后，操作系统会通知应用程序，或者应用程序主动查询完成状态。使线程在等待IO完成的同时可以执行其他任务，提高了系统的并发性能。
3.1、AIO 核心组件（异步通道、完成处理器）
-
异步通道（Asynchronous Channel）：AIO 中进行I/O操作的基础设施。
AIO提供了多种异步通道：
AsynchronousSocketChannel（异步套接字通道，支持面向连接的网络通信）AsynchronousServerSocketChannel（异步服务器套接字通道，支持异步服务器端套接字通信）AsynchronousFileChannel（异步文件通道，支持异步文件读写操作） -
完成处理器（Completion Handler）：用于在I/O操作完成后处理结果的回调接口。
完成处理器包含两个方法：
completed(V result, A attachment)在I/O操作成功完成时调用；
failed(Throwable exc, A attachment)在I/O操作失败时调用。
