Java三種IO模型，一次搞懂！

作者：老三 2023-05-09 11:13:09

Java BIO?相關(guān)的實(shí)現(xiàn)都位于java.io?包下，其通信原理是客戶端、服務(wù)端之間通過Socket套接字建立管道連接，然后從管道中獲取對應(yīng)的輸入/輸出流，最后利用輸入/輸出流對象實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收信息。

大家好，我是老三，上一節(jié)我們討論了Linux的五種IO模型，接下來，我們從Java語言層面，來看看對IO的實(shí)現(xiàn)。

在Java中，一共有三種IO模型，分別是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和異步IO(AIO)。

Linux五種IO模型和Java三種IO模型

Java BIO

Java BIO就是Java的傳統(tǒng)IO模型，對應(yīng)了操作系統(tǒng)IO模型里的阻塞IO。

Java BIO相關(guān)的實(shí)現(xiàn)都位于java.io包下，其通信原理是客戶端、服務(wù)端之間通過Socket套接字建立管道連接，然后從管道中獲取對應(yīng)的輸入/輸出流，最后利用輸入/輸出流對象實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收信息。

我們來看個Demo：

BioServer：

/**
 * @Author 三分惡
 * @Date 2023/4/30
 * @Description BIO服務(wù)端
 */
public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //定義一個ServerSocket服務(wù)端對象，并為其綁定端口號
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        System.out.println("===========BIO服務(wù)端啟動================");
        //對BIO來講，每個Socket都需要一個Thread
        while (true) {
            //監(jiān)聽客戶端Socket連接
            Socket socket = server.accept();
            new BioServerThread(socket).start();
        }

    }

    /**
     * BIO Server線程
     */
    static class BioServerThread extends Thread{
        //socket連接
        private Socket socket;
        public BioServerThread(Socket socket){
            this.socket=socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                //從socket中獲取輸入流
                InputStream inputStream=socket.getInputStream();
                //轉(zhuǎn)換為
                BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                String msg;
                //從Buffer中讀取信息，如果讀取到信息則輸出
                while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
                    System.out.println("收到客戶端消息："+msg);
                }

                //從socket中獲取輸出流
                OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
                PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream);
                //通過輸出流對象向客戶端傳遞信息
                printStream.println("你好，吊毛！");
                //清空輸出流
                printStream.flush();
                //關(guān)閉socket
                socket.shutdownOutput();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

BioClient

/**
 * @Author 三分惡
 * @Date 2023/4/30
 * @Description BIO客戶端
 */
public class BioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<String> names= Arrays.asList("帥哥","靚仔","坤坤");
        //通過循環(huán)創(chuàng)建多個多個client
        for (String name:names){
            //創(chuàng)建socket并根據(jù)IP地址與端口連接服務(wù)端
            Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888);
            System.out.println("===========BIO客戶端啟動================");
            //從socket中獲取字節(jié)輸出流
            OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
            //通過輸出流向服務(wù)端傳遞信息
            String hello="你好，"+name+"!";
            outputStream.write(hello.getBytes());
            //清空流，關(guān)閉socket輸出
            outputStream.flush();
            socket.shutdownOutput();

            //從socket中獲取字節(jié)輸入流
            InputStream inputStream=socket.getInputStream();
            BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            //讀取服務(wù)端消息
            String msg;
            while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
                System.out.println("收到服務(wù)端消息："+msg);
            }
            inputStream.close();
            outputStream.close();
            socket.close();
        }
    }
}

先啟動BioServer，再啟動BioClient，運(yùn)行結(jié)果

===========BIO服務(wù)端啟動================
收到客戶端消息：你好，帥哥!
收到客戶端消息：你好，靚仔!
收到客戶端消息：你好，坤坤!

===========BIO客戶端啟動================
收到服務(wù)端消息：你好，吊毛！
===========BIO客戶端啟動================
收到服務(wù)端消息：你好，吊毛！
===========BIO客戶端啟動================
收到服務(wù)端消息：你好，吊毛！

在上述Java-BIO的通信過程中，如果客戶端一直沒有發(fā)送消息過來，服務(wù)端則會一直等待下去，從而服務(wù)端陷入阻塞狀態(tài)。同理，由于客戶端也一直在等待服務(wù)端的消息，如果服務(wù)端一直未響應(yīng)消息回來，客戶端也會陷入阻塞狀態(tài)。

在BioServer定義了一個類BioServerThread，繼承了Thread類，run方法里主要是通過socket和流來讀取客戶端的消息，以及發(fā)送消息給客戶端，每處理一個客戶端的Socket連接，就得新建一個線程。

同時，IO讀寫操作也是阻塞的，如果客戶端一直沒有發(fā)送消息過來，線程就會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，一直等待下去。

在BioClient里，循環(huán)創(chuàng)建Socket，向服務(wù)端收發(fā)消息，客戶端的讀寫也是阻塞的。

在這個Demo里就體現(xiàn)了BIO的兩個特點(diǎn)：

一個客戶端連接對應(yīng)一個處理線程
讀寫操作都是阻塞的

Java BIO

毫無疑問，不管是創(chuàng)建太多線程，還是阻塞讀寫，都會浪費(fèi)服務(wù)器的資源。

Java NIO

那么我們就進(jìn)入Java的下一種IO模型——Java NIO，它對應(yīng)操作系統(tǒng)IO模型中的多路復(fù)用IO，底層采用了epoll實(shí)現(xiàn)。

Java-NIO則是JDK1.4中新引入的API，它在BIO功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了非阻塞式的特性，其所有實(shí)現(xiàn)都位于java.nio包下。NIO是一種基于通道、面向緩沖區(qū)的IO操作，相較BIO而言，它能夠更為高效的對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，同時與原先的BIO使用方式也大有不同。

我們還是先來看個Demo：

NioServer

/**
 * @Author 三分惡
 * @Date 2023/4/30
 * @Description NIO服務(wù)端
 */
public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創(chuàng)建一個選擇器selector
        Selector selector= Selector.open();
        //創(chuàng)建serverSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
        //綁定端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
        //必須得設(shè)置成非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //將channel注冊到selector并設(shè)置監(jiān)聽事件為ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("===========NIO服務(wù)端啟動============");
        while(true){
            //超時等待
            if(selector.select(1000)==0){
                System.out.println("===========NIO服務(wù)端超時等待============");
                continue;
            }
            // 有客戶端請求被輪詢監(jiān)聽到，獲取返回的SelectionKey集合
            Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator();
            //迭代器遍歷SelectionKey集合
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key=iterator.next();
                // 判斷是否為ACCEPT事件
                if (key.isAcceptable()){
                    // 處理接收請求事件
                    SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                    //非阻塞模式
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 注冊到Selector并設(shè)置監(jiān)聽事件為READ
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                    System.out.println("成功連接客戶端");
                }
                //判斷是否為READ事件
                if (key.isReadable()){
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

                    try {
                        // 獲取以前設(shè)置的附件對象，如果沒有則新建一個
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        if (buffer == null) {
                            buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            key.attach(buffer);
                        }
                        // 清空緩沖區(qū)
                        buffer.clear();
                        // 將通道中的數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)
                        int len = socketChannel.read(buffer);
                        if (len > 0) {
                            buffer.flip();
                            String message = new String(buffer.array(), 0, len);
                            System.out.println("收到客戶端消息：" + message);
                        } else if (len < 0) {
                            // 接收到-1，表示連接已關(guān)閉
                            key.cancel();
                            socketChannel.close();
                            continue;
                        }
                        // 注冊寫事件，下次向客戶端發(fā)送消息
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                    } catch (IOException e) {
                        // 取消SelectionKey并關(guān)閉對應(yīng)的SocketChannel
                        key.cancel();
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //判斷是否為WRITE事件
                if (key.isWritable()){
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    //獲取buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    String hello = "你好，坤坤！";
                    //清空buffer
                    buffer.clear();
                    //buffer中寫入消息
                    buffer.put(hello.getBytes());
                    buffer.flip();
                    //向channel中寫入消息
                    socketChannel.write(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("向客戶端發(fā)送消息：" + hello);
                    // 設(shè)置下次讀寫操作，向 Selector 進(jìn)行注冊
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                }
                // 移除本次處理的SelectionKey,防止重復(fù)處理
                iterator.remove();
            }
        }

    }
}

NioClient

public class NioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建SocketChannel并指定ip地址和端口號
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        System.out.println("==============NIO客戶端啟動================");
        // 非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);
        String hello="你好，靚仔！";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes());
        // 向通道中寫入數(shù)據(jù)
        socketChannel.write(buffer);
        System.out.println("發(fā)送消息：" + hello);
        buffer.clear();
        // 將channel注冊到Selector并監(jiān)聽READ事件
        socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer);
        while (true) {
            // 讀取服務(wù)端數(shù)據(jù)
            if (socketChannel.read(buffer) > 0) {
                buffer.flip();
                String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit());
                System.out.println("收到服務(wù)端消息：" + msg);
                break;
            }
        }
        // 關(guān)閉輸入流
        socketChannel.shutdownInput();
        // 關(guān)閉SocketChannel連接
        socketChannel.close();
    }
}

先運(yùn)行NioServer，再運(yùn)行NioClient，運(yùn)行結(jié)果：

===========NIO服務(wù)端啟動============
===========NIO服務(wù)端超時等待============
===========NIO服務(wù)端超時等待============
成功連接客戶端
收到客戶端消息：你好，靚仔！
向客戶端發(fā)送消息：你好，坤坤！

==============NIO客戶端啟動================
發(fā)送消息：你好，靚仔！
收到服務(wù)端消息：你好，坤坤！

我們在這個案例里實(shí)現(xiàn)了一個比較簡單的Java NIO 客戶端服務(wù)端通信，里面有兩個小的點(diǎn)需要注意，注冊到選擇器上的通道都必須要為非阻塞模型，同時通過緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時，必須要調(diào)用flip()方法切換為讀取模式。

代碼流程示意圖

Java-NIO中有三個核心概念：**Buffer（緩沖區(qū)）、Channel（通道）、Selector（選擇器）**。

Java NIO

每個客戶端連連接本質(zhì)上對應(yīng)著一個Channel通道，每個通道都有自己的Buffer緩沖區(qū)來進(jìn)行讀寫，這些Channel被Selector選擇器管理調(diào)度
Selector負(fù)責(zé)輪詢所有已注冊的Channel，監(jiān)聽到有事件發(fā)生，才提交給服務(wù)端線程處理，服務(wù)端線程不需要做任何阻塞等待，直接在Buffer里處理Channel事件的數(shù)據(jù)即可，處理完馬上結(jié)束，或返回線程池供其他客戶端事件繼續(xù)使用。
通過Selector，服務(wù)端的一個Thread就可以處理多個客戶端的請求
Buffer（緩沖區(qū)）就是飯店用來存放食材的儲藏室，當(dāng)服務(wù)員點(diǎn)餐時，需要從儲藏室中取出食材進(jìn)行制作。
Channel（通道）是用于傳輸數(shù)據(jù)的車道，就像飯店里的上菜窗口，可以快速把點(diǎn)好的菜品送到客人的桌上。
Selector（選擇器）就是大堂經(jīng)理，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)服務(wù)員、廚師和客人的配合和溝通，以保證整個就餐過程的效率和順暢。

Java AIO

Java-AIO也被成為NIO2，它是在NIO的基礎(chǔ)上，引入了新的異步通道的概念，并提供了異步文件通道和異步套接字的實(shí)現(xiàn)。

異步通道的實(shí)現(xiàn)體系

它們的主要區(qū)別就在于這個異步通道，見名知意：使用異步通道去進(jìn)行IO操作時，所有操作都為異步非阻塞的，當(dāng)調(diào)用read()/write()/accept()/connect()方法時，本質(zhì)上都會交由操作系統(tǒng)去完成，比如要接收一個客戶端的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)會先將通道中可讀的數(shù)據(jù)先傳入read()回調(diào)方法指定的緩沖區(qū)中，然后再主動通知Java程序去處理。

我們還是先來看個Demo：

AioServer

/**
 * @Author 三分惡
 * @Date 2023/5/1
 * @Description AIO服務(wù)端
 */
public class AioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建異步通道組，處理IO事件
        AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
        //創(chuàng)建異步服務(wù)器Socket通道，并綁定端口
        AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888));
        System.out.println("=============AIO服務(wù)端啟動=========");

        // 異步等待接收客戶端連接
        server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            // 創(chuàng)建ByteBuffer
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
                System.out.println("客戶端連接成功");
                try {
                    buffer.clear();
                    // 異步讀取客戶端發(fā)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("收到客戶端消息：" + message);

                            // 異步發(fā)送消息給客戶端
                            channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好，阿坤！").getBytes()), null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                                @Override
                                public void completed(Integer result, Object attachment) {
                                    // 關(guān)閉輸出流
                                    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();
                }
                // 繼續(xù)異步等待接收客戶端連接
                server.accept(null, this);
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
                // 繼續(xù)異步等待接收客戶端連接
                server.accept(null, this);
            }
        });
        // 等待所有連接都處理完畢
        group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
    }

}

AioClient

/**
 * @Author 三分惡
 * @Date 2023/5/1
 * @Description AIO客戶端
 */
public class AioClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建異步Socket通道
        AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
        // 異步連接服務(wù)器
        client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler<Void, Object>() {
            // 創(chuàng)建ByteBuffer
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好，靚仔！").getBytes());

            @Override
            public void completed(Void result, Object attachment) {
                // 異步發(fā)送消息給服務(wù)器
                client.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                    // 創(chuàng)建ByteBuffer
                    final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                    @Override
                    public void completed(Integer result, Object attachment) {
                        readBuffer.clear();
                        // 異步讀取服務(wù)器發(fā)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("收到服務(wù)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();
                }
            }
        });
        // 等待連接處理完畢
        Thread.sleep(1000);
        // 關(guān)閉輸入流和Socket通道
        client.shutdownInput();
        client.close();
    }
}

看下運(yùn)行結(jié)果

=============AIO服務(wù)端啟動=========
客戶端連接成功
收到客戶端消息：你好，靚仔！

收到服務(wù)端消息：你好，阿坤！

可以看到，所有的操作都是異步進(jìn)行，通過completed接收異步回調(diào)，通過failed接收錯誤回調(diào)。

而且我們發(fā)現(xiàn)，相較于之前的NIO而言，AIO其中少了Selector選擇器這個核心組件，選擇器在NIO中充當(dāng)了協(xié)調(diào)者的角色。

但在Java-AIO中，類似的角色直接由操作系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)，而且不是采用輪詢的方式監(jiān)聽IO事件，而是采用一種類似于“訂閱-通知”的模式。

Java AIO簡圖

在AIO中，所有創(chuàng)建的通道都會直接在OS上注冊監(jiān)聽，當(dāng)出現(xiàn)IO請求時，會先由操作系統(tǒng)接收、準(zhǔn)備、拷貝好數(shù)據(jù)，然后再通知監(jiān)聽對應(yīng)通道的程序處理數(shù)據(jù)。

Java-AIO這種異步非阻塞式IO也是由操作系統(tǒng)進(jìn)行支持的，在Windows系統(tǒng)中提供了一種異步IO技術(shù)：IOCP(I/O Completion Port，所以Windows下的Java-AIO則是依賴于這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)。不過在Linux系統(tǒng)中由于沒有這種異步IO技術(shù)，所以Java-AIO在Linux環(huán)境中使用的還是epoll這種多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)的。

因?yàn)長inux的異步IO技術(shù)實(shí)際上不太成熟，所以Java-AIO的實(shí)際應(yīng)用并不是太多，比如大名鼎鼎的網(wǎng)絡(luò)通信框架Netty就沒有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代碼層面，自行實(shí)現(xiàn)異步。

小結(jié)

那么這期我們就快速過了一下Java的三種IO機(jī)制，它們的特點(diǎn)，我們直接看下圖：

Java三種IO模型

我們也發(fā)現(xiàn)，雖然Java-NIO、Java-AIO，在性能上比Java-BIO要強(qiáng)很多，但是可以看到，寫法上一個比一個難搞，不過好在基本也沒人直接用Java-NIO、Java-AIO，如果要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，一般都會采用Netty，它對原生的Java-NIO進(jìn)行了封裝優(yōu)化，接下來，我們會繼續(xù)走近Netty，敬請期待。