第二章 BIO與NIO
阿新 • • 發佈：2022-05-22
一、BIO
1、服務端程式：
1 package bio;
2
3 import java.io.BufferedReader;
4 import java.io.IOException;
5 import java.io.InputStreamReader;
6 import java.io.PrintWriter;
7 import java.net.ServerSocket;
8 import java.net.Socket;
9 import java.util.Date;
10
11 public class BioServer {
12
13 public static void main(String[] args) throws IOException {
14 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
15 Socket clientSocket = null;
16 while(true){
17 clientSocket = serverSocket.accept();//如果沒有客戶端接入,主執行緒阻塞在這裡
18 new Thread(new ServerHandler(clientSocket)).start();
19 }
20 //finall關閉serverSocket
21 }
22
23 }
24
25 class ServerHandler implements Runnable{
26 private Socket clientSocket;
27
28 public ServerHandler(Socket clientSocket) {
29 this.clientSocket = clientSocket;
30 }
31
32 @Override
33 public void run() {
34 try {
35 BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.clientSocket.getInputStream()));
36 PrintWriter writer = new PrintWriter(this.clientSocket.getOutputStream(), true);
37 while(true){
38 String body = reader.readLine();
39 if (body==null){
40 break;
41 }
42 System.out.println(body);
43 writer.println(new Date().toString() + "->" + body);
44 }
45 } catch (IOException e) {
46 e.printStackTrace();
47 }
48 //finally關閉資源:流和socket
49 }
50 } 1 package bio;
2
3 import java.io.BufferedReader;
4 import java.io.IOException;
5 import java.io.InputStreamReader;
6 import java.io.PrintWriter;
7 import java.net.ServerSocket;
8 import java.net.Socket;
9 import java.util.Date;
10
11 public class BioServer {
12
13 public static void main(String[] args) throws IOException {
14 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
15 Socket clientSocket = null;
16 while(true){
17 clientSocket = serverSocket.accept();//如果沒有客戶端接入,主執行緒阻塞在這裡
18 new Thread(new ServerHandler(clientSocket)).start();
19 }
20 //finall關閉serverSocket
21 }
22
23 }
24
25 class ServerHandler implements Runnable{
26 private Socket clientSocket;
27
28 public ServerHandler(Socket clientSocket) {
29 this.clientSocket = clientSocket;
30 }
31
32 @Override
33 public void run() {
34 try {
35 BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.clientSocket.getInputStream()));
36 PrintWriter writer = new PrintWriter(this.clientSocket.getOutputStream(), true);
37 while(true){
38 String body = reader.readLine();
39 if (body==null){
40 break;
41 }
42 System.out.println(body);
43 writer.println(new Date().toString() + "->" + body);
44 }
45 } catch (IOException e) {
46 e.printStackTrace();
47 }
48 //finally關閉資源:流和socket
49 }
50 }- 服務端使用8081埠開啟服務，不斷接入客戶端請求，每接入一個請求，都建立一個執行緒來處理這個請求。
- 處理邏輯：讀取客戶端傳來的資訊，之後想客戶端寫資訊。
2、客戶端程式：
1 package bio;
2
3 import java.io.BufferedReader;
4 import java.io.IOException;
5 import java.io.InputStreamReader;
6 import java.io.PrintWriter;
7 import java.net.Socket;
8
9 public class BioClient {
10 public static void main(String[] args) throws IOException {
11 Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 8081);
12 BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
13 PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
14 writer.println("haha");
15 String resp = reader.readLine();
16 System.out.println(resp);
17 //finall關閉serverSocket
18 }
19 } 1 package bio;
2
3 import java.io.BufferedReader;
4 import java.io.IOException;
5 import java.io.InputStreamReader;
6 import java.io.PrintWriter;
7 import java.net.Socket;
8
9 public class BioClient {
10 public static void main(String[] args) throws IOException {
11 Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 8081);
12 BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
13 PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
14 writer.println("haha");
15 String resp = reader.readLine();
16 System.out.println(resp);
17 //finall關閉serverSocket
18 }
19 }
- 客戶端建立socket去連線服務端，之後想服務端寫資訊，並且讀取服務端傳來的資訊。
服務端阻塞的幾個點：
- serverSocket.accept();//如果沒有客戶端接入,主執行緒阻塞在這裡
- 輸入流InputStream的read操作也會阻塞：直到“有資料可讀”或者“可用資料讀取完畢”或者“發生異常”
- 輸出流OutputStream的write操作也會阻塞：直到“所有要傳送的位元組全部寫入”或者“發生異常”
二、NIO
1、服務端程式
1 package nio;
2
3 import java.io.IOException;
4 import java.net.InetSocketAddress;
5 import java.nio.ByteBuffer;
6 import java.nio.channels.SelectionKey;
7 import java.nio.channels.Selector;
8 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
9 import java.nio.channels.SocketChannel;
10 import java.util.Iterator;
11
12 public class NioServer {
13 public static void main(String[] args) throws IOException {
14 Selector selector = Selector.open();
15
16 ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
17 serverChannel.configureBlocking(false);
18 serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8083));//監聽連結8082埠的客戶端socket
19 serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//將serverChannel註冊到selector,並監聽接受連線事件
20
21 while (selector.select() > 0) {//該方法會發生阻塞,直到至少有一個事件"準備就緒"為止
22 Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
23 while (it.hasNext()) {
24 SelectionKey sk = it.next();
25 if (sk.isAcceptable()) {
26 SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();//相當於客戶端三次握手
27 clientChannel.configureBlocking(false);
28 clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
29 } else if (sk.isReadable()) {
30 SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) sk.channel();
31 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
32 while (clientChannel.read(buf) > 0) {//將通道中的資料讀到緩衝區,因為clientChannel已經是非阻塞的,所以這裡的read是非阻塞的
33 buf.flip();//將緩衝區由寫模式切換到讀模式
34 byte[] bytes = new byte[buf.remaining()];
35 buf.get(bytes);//將緩衝區中的資料讀取到bytes中
36 String body = new String(bytes, "UTF-8");
37 System.out.println("接收到來自客戶端的資訊:" + body);
38 buf.clear();
39 }
40 }
41 it.remove();
42 }
43 }
44 }
45 }
1 package nio;
2
3 import java.io.IOException;
4 import java.net.InetSocketAddress;
5 import java.nio.ByteBuffer;
6 import java.nio.channels.SelectionKey;
7 import java.nio.channels.Selector;
8 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
9 import java.nio.channels.SocketChannel;
10 import java.util.Iterator;
11
12 public class NioServer {
13 public static void main(String[] args) throws IOException {
14 Selector selector = Selector.open();
15
16 ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
17 serverChannel.configureBlocking(false);
18 serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8083));//監聽連結8082埠的客戶端socket
19 serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//將serverChannel註冊到selector,並監聽接受連線事件
20
21 while (selector.select() > 0) {//該方法會發生阻塞,直到至少有一個事件"準備就緒"為止
22 Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
23 while (it.hasNext()) {
24 SelectionKey sk = it.next();
25 if (sk.isAcceptable()) {
26 SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();//相當於客戶端三次握手
27 clientChannel.configureBlocking(false);
28 clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
29 } else if (sk.isReadable()) {
30 SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) sk.channel();
31 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
32 while (clientChannel.read(buf) > 0) {//將通道中的資料讀到緩衝區,因為clientChannel已經是非阻塞的,所以這裡的read是非阻塞的
33 buf.flip();//將緩衝區由寫模式切換到讀模式
34 byte[] bytes = new byte[buf.remaining()];
35 buf.get(bytes);//將緩衝區中的資料讀取到bytes中
36 String body = new String(bytes, "UTF-8");
37 System.out.println("接收到來自客戶端的資訊:" + body);
38 buf.clear();
39 }
40 }
41 it.remove();
42 }
43 }
44 }
45 }
- nio三元件：
- Buffer：用於存取資料，最主要的是ByteBuffer
- position：下一個將被操作的位元組位置
- limit：在寫模式下表示可以進行寫的位元組數，在讀模式下表示可以進行讀的位元組數
- capacity：Buffer的大小
- Channel：用於傳輸資料，與Buffer相互配合
- Selector：多路複用器。輪詢註冊在其上的Channel，當發現某個或者多個Channel處於“就緒狀態”後（有新的TCP連結接入、讀、寫事件），從阻塞狀態返回就緒的Channel的SelectionKey集合，之後進行IO操作。
- Buffer：用於存取資料，最主要的是ByteBuffer
- selector.select()：阻塞，直到有“就緒事件”發生或丟擲異常
2、客戶端程式
1 package nio;
2
3 import java.io.IOException;
4 import java.net.InetSocketAddress;
5 import java.nio.ByteBuffer;
6 import java.nio.channels.SocketChannel;
7
8 public class NioClient {
9 public static void main(String[] args) throws IOException {
10 SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8083));//向服務端發出連線請求,服務端會通過accept()方法實現三次握手後,建立連線
11 clientChannel.configureBlocking(false);
12 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//分配在JVM堆中:capacity=1024;position=0;limit=1024
13 // ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);//分配在堆外記憶體(實體記憶體)中
14 buf.put("abcde".getBytes());//將資料寫入緩衝區buf中:capacity=1024;position=5;limit=1024
15 buf.flip();//將緩衝區從寫模式切換到讀模式:capacity=1024;position=0;limit=5
16 clientChannel.write(buf);//將緩衝區的資料寫入通道:capacity=1024;position=5;limit=5
17 buf.clear();//清空緩衝區:capacity=1024;position=0;limit=1024
18 clientChannel.close();
19 }
20 }
附：ByteBuffer使用JVM堆記憶體和使用堆外記憶體的區別：（圖片來自尚矽谷的NIO教程）
- 使用堆記憶體：
- 應用程式將資料寫入使用者地址空間（JVM）中，之後將使用者地址空間中的資料拷貝到核心地址空間（作業系統）
- 使用堆外記憶體：
- 直接在實體記憶體開闢空間，應用程式直接將資料寫入實體記憶體，之後作業系統將其寫入硬碟 - “零拷貝”
三、BIO與NIO的比較
1、執行緒數
- BIO：一個客戶端連線就要使用一個服務端執行緒來進行處理
- 可能會有大量的想愛你成處於休眠狀態，只是等待輸入或輸出（阻塞）
- 為每個執行緒分配呼叫棧，大約1M，服務端記憶體吃緊
- 即使服務端記憶體很大，執行緒數太大會導致執行緒上下文切換浪費大量時間
- NIO：一個服務端執行緒操作一個Selector，就可以處理成千上萬的客戶端連線
2、阻塞情況
- BIO：讀、寫、接受連線都會發生阻塞
- NIO：只有Selector.select()會阻塞，其實是等待Channel上的“就緒事件”
3、面向物件
- BIO：面向流
- NIO：面向Buffer
4、適合點
- BIO：如果你有少量的連線使用非常高的頻寬，一次傳送大量的資料，也許典型的IO伺服器實現可能非常契合
- NIO：如果需要管理同時開啟的成千上萬個連線，這些連線每次只是傳送少量的資料，例如聊天伺服器，實現NIO的伺服器可能是一個優勢。
四、Reactor模型
主從模型：
- 主執行緒池：
- 全部由NIO執行緒組成，使用執行緒池是因為擔心效能問題
- 接收客戶端連線請求，可能包含認證
- 接收到客戶端的連線請求並處理完成（比如認證）後，將創建出來的SocketChannel（檢視上邊的NIOServer類）註冊到次執行緒池的某一條NIO執行緒上，之後這條NIO執行緒進行IO操作。
- 次執行緒池：
- 全部由NIO執行緒組成
- 進行IO操作（編解碼、業務邏輯等）