在Java中,一共有三种IO模型,分别是阻塞IO(BIO)
、非阻塞IO(NIO)
和异步IO(AIO)
。
Java BIO
Java BIO
就是Java的传统IO模型,对应了操作系统IO模型里的阻塞IO。
Java BIO
相关的实现都位于java.io
包下,其通信原理是客户端、服务端之间通过Socket
套接字建立管道连接,然后从管道中获取对应的输入/输出流,最后利用输入/输出流对象实现发送/接收信息。
我们来看个Demo:
- BioServer:
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO服务端 */ public class BioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //定义一个ServerSocket服务端对象,并为其绑定端口号 ServerSocket server = new ServerSocket(8888); System.out.println("===========BIO服务端启动================"); //对BIO来讲,每个Socket都需要一个Thread while (true) { //监听客户端Socket连接 Socket socket = server.accept(); new BioServerThread(socket).start(); } } /** * BIO Server线程 */ static class BioServerThread extends Thread{ //socket连接 private Socket socket; public BioServerThread(Socket socket){ this.socket=socket; } @Override public void run() { try { //从socket中获取输入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); //转换为 BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream)); String msg; //从Buffer中读取信息,如果读取到信息则输出 while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){ System.out.println("收到客户端消息:"+msg); } //从socket中获取输出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream); //通过输出流对象向客户端传递信息 printStream.println("你好,吊毛!"); //清空输出流 printStream.flush(); //关闭socket socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
- BioClient
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO客户端 */ public class BioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { List<String> names= Arrays.asList("帅哥","靓仔","坤坤"); //通过循环创建多个多个client for (String name:names){ //创建socket并根据IP地址与端口连接服务端 Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888); System.out.println("===========BIO客户端启动================"); //从socket中获取字节输出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); //通过输出流向服务端传递信息 String hello="你好,"+name+"!"; outputStream.write(hello.getBytes()); //清空流,关闭socket输出 outputStream.flush(); socket.shutdownOutput(); //从socket中获取字节输入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream)); //读取服务端消息 String msg; while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){ System.out.println("收到服务端消息:"+msg); } inputStream.close(); outputStream.close(); socket.close(); } } }
- 先启动
BioServer
,再启动BioClient
,运行结果
===========BIO服务端启动================
收到客户端消息:你好,帅哥!
收到客户端消息:你好,靓仔!
收到客户端消息:你好,坤坤!
===========BIO客户端启动================
收到服务端消息:你好,吊毛!
===========BIO客户端启动================
收到服务端消息:你好,吊毛!
===========BIO客户端启动================
收到服务端消息:你好,吊毛!
在上述Java-BIO
的通信过程中,如果客户端一直没有发送消息过来,服务端则会一直等待下去,从而服务端陷入阻塞状态。同理,由于客户端也一直在等待服务端的消息,如果服务端一直未响应消息回来,客户端也会陷入阻塞状态。
在BioServer
定义了一个类BioServerThread
,继承了Thread
类,run
方法里主要是通过socket和流来读取客户端的消息,以及发送消息给客户端,每处理一个客户端的Socket连接,就得新建一个线程。
同时,IO读写操作也是阻塞的,如果客户端一直没有发送消息过来,线程就会进入阻塞状态,一直等待下去。
在BioClient
里,循环创建Socket
,向服务端收发消息,客户端的读写也是阻塞的。
在这个Demo里就体现了BIO的两个特点:
- 一个客户端连接对应一个处理线程
- 读写操作都是阻塞的
毫无疑问,不管是创建太多线程,还是阻塞读写,都会浪费服务器的资源。
Java NIO
那么我们就进入Java的下一种IO模型——Java NIO
,它对应操作系统IO模型中的多路复用IO,底层采用了epoll
实现。
Java-NIO
则是JDK1.4
中新引入的API
,它在BIO
功能的基础上实现了非阻塞式的特性,其所有实现都位于java.nio
包下。NIO
是一种基于通道、面向缓冲区的IO
操作,相较BIO
而言,它能够更为高效的对数据进行读写操作,同时与原先的BIO
使用方式也大有不同。
我们还是先来看个Demo:
- NioServer
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description NIO服务端 */ public class NioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //创建一个选择器selector Selector selector= Selector.open(); //创建serverSocketChannel ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open(); //绑定端口 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888)); //必须得设置成非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false); //将channel注册到selector并设置监听事件为ACCEPT serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("===========NIO服务端启动============"); while(true){ //超时等待 if(selector.select(1000)==0){ System.out.println("===========NIO服务端超时等待============"); continue; } // 有客户端请求被轮询监听到,获取返回的SelectionKey集合 Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator(); //迭代器遍历SelectionKey集合 while (iterator.hasNext()){ SelectionKey key=iterator.next(); // 判断是否为ACCEPT事件 if (key.isAcceptable()){ // 处理接收请求事件 SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept(); //非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 注册到Selector并设置监听事件为READ socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024)); System.out.println("成功连接客户端"); } //判断是否为READ事件 if (key.isReadable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); try { // 获取以前设置的附件对象,如果没有则新建一个 ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); if (buffer == null) { buffer = ByteBuffer.allocate(1024); key.attach(buffer); } // 清空缓冲区 buffer.clear(); // 将通道中的数据读到缓冲区 int len = socketChannel.read(buffer); if (len > 0) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println("收到客户端消息:" + message); } else if (len < 0) { // 接收到-1,表示连接已关闭 key.cancel(); socketChannel.close(); continue; } // 注册写事件,下次向客户端发送消息 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer); } catch (IOException e) { // 取消SelectionKey并关闭对应的SocketChannel key.cancel(); socketChannel.close(); } } //判断是否为WRITE事件 if (key.isWritable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); //获取buffer ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); String hello = "你好,坤坤!"; //清空buffer buffer.clear(); //buffer中写入消息 buffer.put(hello.getBytes()); buffer.flip(); //向channel中写入消息 socketChannel.write(buffer); buffer.clear(); System.out.println("向客户端发送消息:" + hello); // 设置下次读写操作,向 Selector 进行注册 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer); } // 移除本次处理的SelectionKey,防止重复处理 iterator.remove(); } } } }
- NioClient
public class NioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { // 创建SocketChannel并指定ip地址和端口号 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888)); System.out.println("==============NIO客户端启动================"); // 非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); String hello="你好,靓仔!"; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes()); // 向通道中写入数据 socketChannel.write(buffer); System.out.println("发送消息:" + hello); buffer.clear(); // 将channel注册到Selector并监听READ事件 socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer); while (true) { // 读取服务端数据 if (socketChannel.read(buffer) > 0) { buffer.flip(); String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()); System.out.println("收到服务端消息:" + msg); break; } } // 关闭输入流 socketChannel.shutdownInput(); // 关闭SocketChannel连接 socketChannel.close(); } }
- 先运行NioServer,再运行NioClient,运行结果:
===========NIO服务端启动============
===========NIO服务端超时等待============
===========NIO服务端超时等待============
成功连接客户端
收到客户端消息:你好,靓仔!
向客户端发送消息:你好啊!
==============NIO客户端启动================
发送消息:你好,靓仔!
收到服务端消息:你好啊!
我们在这个案例里实现了一个比较简单的Java NIO 客户端服务端通信,里面有两个小的点需要注意,注册到选择器上的通道都必须要为非阻塞模型,同时通过缓冲区传输数据时,必须要调用flip()
方法切换为读取模式。
Java-NIO中有三个核心概念:Buffer
(缓冲区)、Channel
(通道)、Selector
(选择器)。
每个客户端连连接本质上对应着一个
Channel
通道,每个通道都有自己的Buffer
缓冲区来进行读写,这些Channel
被Selector
选择器管理调度Selector
负责轮询所有已注册的Channel
,监听到有事件发生,才提交给服务端线程处理,服务端线程不需要做任何阻塞等待,直接在Buffer
里处理Channel
事件的数据即可,处理完马上结束,或返回线程池供其他客户端事件继续使用。通过
Selector
,服务端的一个Thread
就可以处理多个客户端的请求Buffer(缓冲区)就是饭店用来存放食材的储藏室,当服务员点餐时,需要从储藏室中取出食材进行制作。
Channel(通道)是用于传输数据的车道,就像饭店里的上菜窗口,可以快速把点好的菜品送到客人的桌上。
Selector(选择器)就是大堂经理,负责协调服务员、厨师和客人的配合和沟通,以保证整个就餐过程的效率和顺畅。
Java AIO
Java-AIO
也被成为NIO2
,它是在NIO
的基础上,引入了新的异步通道的概念,并提供了异步文件通道和异步套接字的实现。
它们的主要区别就在于这个异步通道,见名知意:使用异步通道去进行IO
操作时,所有操作都为异步非阻塞的,当调用read()/write()/accept()/connect()
方法时,本质上都会交由操作系统去完成,比如要接收一个客户端的数据时,操作系统会先将通道中可读的数据先传入read()
回调方法指定的缓冲区中,然后再主动通知Java程序去处理。
我们还是先来看个Demo:
- AioServer
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO服务端 */ public class AioServer { public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建异步通道组,处理IO事件 AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory()); //创建异步服务器Socket通道,并绑定端口 AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888)); System.out.println("=============AIO服务端启动========="); // 异步等待接收客户端连接 server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) { System.out.println("客户端连接成功"); try { buffer.clear(); // 异步读取客户端发送的消息 channel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer len, Object attachment) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println("收到客户端消息:" + message); // 异步发送消息给客户端 channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好,阿坤!").getBytes()), null, new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { // 关闭输出流 try { channel.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 继续异步等待接收客户端连接 server.accept(null, this); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); // 继续异步等待接收客户端连接 server.accept(null, this); } }); // 等待所有连接都处理完毕 group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS); } }
- AioClient
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO客户端 */ public class AioClient { public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建异步Socket通道 AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(); // 异步连接服务器 client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler<Void, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好,靓仔!").getBytes()); @Override public void completed(Void result, Object attachment) { // 异步发送消息给服务器 client.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.clear(); // 异步读取服务器发送的消息 client.read(readBuffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.flip(); String msg = new String(readBuffer.array(), 0, result); System.out.println("收到服务端消息:" + msg); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); // 等待连接处理完毕 Thread.sleep(1000); // 关闭输入流和Socket通道 client.shutdownInput(); client.close(); } }
- 看下运行结果
=============AIO服务端启动=========
客户端连接成功
收到客户端消息:你好,靓仔!
收到服务端消息:你好啊!
可以看到,所有的操作都是异步进行,通过completed
接收异步回调,通过failed
接收错误回调。
而且我们发现,相较于之前的NIO
而言,AIO
其中少了Selector
选择器这个核心组件,选择器在NIO
中充当了协调者的角色。
但在Java-AIO
中,类似的角色直接由操作系统担当,而且不是采用轮询的方式监听IO
事件,而是采用一种类似于“订阅-通知”的模式。
在AIO
中,所有创建的通道都会直接在OS
上注册监听,当出现IO
请求时,会先由操作系统接收、准备、拷贝好数据,然后再通知监听对应通道的程序处理数据。
Java-AIO
这种异步非阻塞式IO
也是由操作系统进行支持的,在Windows
系统中提供了一种异步IO
技术:IOCP(I/O Completion Port
,所以Windows
下的Java-AIO
则是依赖于这种机制实现。不过在Linux
系统中由于没有这种异步IO
技术,所以Java-AIO
在Linux
环境中使用的还是epoll
这种多路复用技术进行模拟实现的。
因为Linux的异步IO技术实际上不太成熟,所以Java-AIO
的实际应用并不是太多,比如大名鼎鼎的网络通信框架Netty
就没有采用Java-AIO,而是使用Java-NIO,在代码层面,自行实现异步。
小结
那么这期我们就快速过了一下Java的三种IO机制,它们的特点,我们直接看下图:
我们也发现,虽然Java-NIO
、Java-AIO
,在性能上比Java-BIO
要强很多,但是可以看到,写法上一个比一个难搞,不过好在基本也没人直接用Java-NIO
、Java-AIO
,如果要进行网络通信,一般都会采用Netty
,它对原生的Java-NIO
进行了封装优化,接下来,我们会继续走近Netty
,敬请期待。
以上就是一文带你你搞懂Java的3种IO模型的详细内容,更多关于Java IO模型的资料请关注寻技术其它相关文章!