JAVA IO模式 —— BIO、NIO、AIO

简介: JAVA IO模式 —— BIO、NIO、AIO

! ! ! 学IO前,建议先了解下socket,简单讲,socket就是TCP协议的执行者,socket按照TCP协议在服务端和客户端之间建立起稳定连接通道后,服务端和客户端可分别从socket连接通道中获取输入流或输出(就是IO),下面在IO实例讲解中有用到



一、总体认知(BIO、NIO、AIO基础概念)

在java的软件设计开发中,通信架构是不可避免的,我们在进行不同系统或者不同进程之间的数据交互,或者在高并发下的通信场景下都需要用到网络通信相关的技术,Java共支持3种网络编程的I/O模型:BlO、NIO、 AlO

这三种模式的演变是 BIO -> NIO -> AIO,各自具有不同的优缺点,实际通信需求下,要根据不同的业务场景和性能需求决定选择不同的I/O模型

JAVA BIO


       同步并阻塞(传统阻塞型),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

Java NIO


       同步非阻塞,服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接),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 请求就进行处理


Java AIO

       也叫NIO.20版本,异步非阻塞,服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理,一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用


BIO、NIO、AIO 适用场景

1、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,但程序简单易理解


2、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,弹幕系统,服务器间通讯等。 编程比较复杂,JDK1.4 开始支持。


3、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。


二、BIO、NIO、AIO详细介绍

2.1 BIO

Java BIO 就是传统的 java io 编程,其相关的类和接口在 java.io


BIO(blocking I/O) : 同步阻塞,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,可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器).


接下来通过一个简单的BIO实例,了解BIO的使用!!!


程序目标:客户端发送一个消息,服务端接收该消息,通信结束!!  


Java提供了一个包:java.net下的类都是用于网络通信。

Java提供了基于套接字(端口)Socket的网络通信模式,我们基于这种模式就可以直接实现TCP通信。  

Socket的使用:

       构造器:public Socket(String host, int port)

       方法:    public OutputStream getOutputStream():获取字节输出流

                      public InputStream getInputStream() :获取字节输入流


ServerSocket的使用(用于服务端注册Socket监听端口,客户端通过这个端口号与服务端建立socket连接):

       构造器:public ServerSocket(int port):通过port指定服务端监听端口号


客户端代码

import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("==客户端的启动==");
        // (1)创建一个Socket的通信管道,请求与服务端的端口连接。
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
        // (2)从Socket通信管道中得到一个字节输出流。
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        // (3)把字节流改装成自己需要的流进行数据的发送
        PrintStream ps = new PrintStream(os);
        // (4)开始发送消息
        ps.println("我是客户端!!!");
        ps.flush();
    }
}


服务端代码

​import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("==服务器的启动==");
        // (1)注册端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        //(2)开始在这里暂停等待接收客户端的连接,得到一个端到端的Socket管道
        Socket socket = serverSocket.accept();
        //(3)从Socket管道中得到一个字节输入流。
        InputStream is = socket.getInputStream();
        //(4)把字节输入流包装成自己需要的流进行数据的读取。
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
        //(5)读取数据
        String line ;
        if((line = br.readLine())!=null){
            System.out.println("服务端收到:"+line);
        }
    }
}

运行结果

2.2 NIO

Java NIO 基本介绍

Java NIO(New IO)也有人称之为 java non-blocking IO是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API,可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的,但是使用的方式完全不同,NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行,线程在读写IO期间不能干其他事情,比如调用socket.read()时,如果服务器一直没有数据传输过来,线程就一直阻塞,而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。


NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下,并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。


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


Java NIO 的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求或者读取数据,但是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,而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此,一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。


通俗理解:NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 1000 个请求过来,根据实际情况,可以分配20 或者 80个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样,非得分配 1000 个


NIO 和 BIO 的比较

BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多

BIO 是阻塞的,NIO 则是非阻塞的

BIO 基于字节流和字符流进行操作,而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)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。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件(比如:连接请求,数据到达等),因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

NIO 三大核心原理介绍

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


Buffer缓冲区

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作,Buffer API更加容易操作和管理。


Channel(通道)

Java NIO的通道类似流,但又有些不同:既可以从通道中读取数据,又可以写数据到通道。但流的(input或output)读写通常是单向的。 通道可以非阻塞读取和写入通道,通道可以支持读取或写入缓冲区,也支持异步地读写。


Selector选择器

Selector是 一个Java NIO组件,可以能够检查一个或多个 NIO 通道,并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接,提高效率

每个 channel 都会对应一个 Buffer


一个线程对应Selector , 一个Selector对应多个 channel(连接)


程序切换到哪个 channel 是由事件决定的


Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换


Buffer 就是一个内存块 , 底层是一个数组


数据的读取写入是通过 Buffer完成的 , BIO 中要么是输入流,或者是输出流, 不能双向,但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写。


Java NIO系统的核心在于:通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如:文件、 套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统,需要获取用于连接 IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区,对数据进行处理。简而言之,Channel 负责传输, Buffer 负责存取数据


2.3 AIO

Java AIO(NIO.2) : 异步非阻塞,服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。


AIO

异步非阻塞,基于NIO的,可以称之为NIO2.0

   BIO                                NIO                                    AIO        

Socket                     SocketChannel                     AsynchronousSocketChannel

ServerSocket          ServerSocketChannel           AsynchronousServerSocketChannel


        与NIO不同,当进行读写操作时,只须直接调用API的read或write方法即可, 这两种方法均为异步的,对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,对于写操作而言,当操作系统将write方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序


       即可以理解为,read/write方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中,这部分内容被称作NIO.2,主要在Java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道:


   AsynchronousSocketChannel

   AsynchronousServerSocketChannel

   AsynchronousFileChannel

   AsynchronousDatagramChannel

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