JDK的BIO, NIO, AIO
1. BIO
JDK5之前, JDK的IO模式只有BIO(同步阻塞)
问题: 因为阻塞的存在, 需对每个请求开启一个线程. 过多的线程切换影响操作系统性能
解决: 使用线程池, 处理不过来的放入队列, 再处理不过来的会触发其他机制
问题: 超过线程池数量的请求需要等待
- public class Client {
- final static String ADDRESS = "127.0.0.1";
- final static int PORT = 8765;
- public static void main(String[] args) throws IOException {
- Socket socket = null;
- BufferedReader in = null;
- PrintWriter out = null;
- try {
- socket = new Socket(ADDRESS, PORT);
- in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
- out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true); // true自动flush
- //向服务器端发送数据
- out.println("来自客户端的请求");
- //从服务端接收数据
- String response = in.readLine(); // 阻塞
- System.out.println("Client获取数据: " + response);
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- out.close();
- in.close();
- socket.close();
- }
- }
- }
服务端1: 一个请求~一个线程
- public class Server {
- final static int PROT = 8765;
- public static void main(String[] args) throws IOException {
- ServerSocket server = null;
- try {
- server = new ServerSocket(PROT);
- System.out.println("server start");
- while(true){
- Socket socket = server.accept(); //监听 阻塞 , socket底层会新建线程处理与客户端的三次握手
- //建立线程处理获取的 socket
- new Thread(new ServerHandler(socket)).start();
- }
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- server.close();
- }
- }
- }
- class ServerHandler implements Runnable {
- private Socket socket;
- public ServerHandler(Socket socket) {
- this.socket = socket;
- }
- @Override
- public void run() {
- BufferedReader in = null;
- PrintWriter out = null;
- try {
- in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream()));
- out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(), true);
- String body = null;
- while (true) {
- body = in.readLine(); // 阻塞
- if (body == null)
- break;
- System.out.println("Server获取的请求: " + body);
- out.println("来自服务器的响应");
- }
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- try {
- out.close();
- in.close();
- socket.close();
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
服务端2: 用线程池处理请求
- public class Server {
- final static int PORT = 8765;
- public static void main(String[] args) throws IOException {
- ServerSocket server = null;
- try {
- server = new ServerSocket(PORT);
- System.out.println("server start");
- HandlerExecutorPool executorPool = new HandlerExecutorPool(50, 1000);
- while(true){
- Socket socket = server.accept();
- executorPool.execute(new ServerHandler(socket));
- }
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- server.close();
- }
- }
- }
- class HandlerExecutorPool {
- private ExecutorService executor;
- public HandlerExecutorPool(int maxPoolSize, int queueSize){
- this.executor = new ThreadPoolExecutor( // 带阻塞队列的线程池
- Runtime.getRuntime().availableProcessors(), // 初始线程数
- maxPoolSize, // 线程数上限 如果要处理请求的Runnable对象装满了队列, 则提高现有线程数
- 120L, // 如在120个时间颗粒内某线程是空闲的, 将被回收
- TimeUnit.SECONDS,
- new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize) // 存放处理请求的Runnable对象
- );
- }
- public void execute(Runnable task){
- this.executor.execute(task);
- }
- }
- class ServerHandler implements Runnable {
- private Socket socket;
- public ServerHandler(Socket socket) {
- this.socket = socket;
- }
- @Override
- public void run() {
- BufferedReader in = null;
- PrintWriter out = null;
- try {
- in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream()));
- out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(), true);
- String body = null;
- while (true) {
- body = in.readLine();
- if (body == null)
- break;
- System.out.println("Server获取的请求: " + body); // 阻塞
- out.println("来自服务器的响应");
- }
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- try {
- out.close();
- in.close();
- socket.close();
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
2.NIO1.0
JDK5以后引入了NIO1.0(多路复用机制)
伴随多路复用在程序中引入了如下概念:
Channel(通道):TCP连接的抽象,一个TCP连接对应多个Channel,这样减少TCP的连接次数。
通道与BIO中socket类似
通道与BIO中的流类似, 不过channel是双向的而流是单向的
channel有多种状态位, 能被selector识别
Buffer(缓冲区):
缓冲区是一块内存区域(数组), 在NIO中被包装成Buffer对象. Buffer提供方法用来访问该内存。
BIO中,数据存储在流中,而NIO中,数据存储在缓冲区中。
除了boolean的其他java七种基本类型都有相应的Buffer类. 最常使用的是ByteBuffer
Selector(多路复用器):负责轮询所有注册通道,根据通道状态执行相关操作。状态包括:Connect,Accept,Read,Write。
在"四种常用IO模型"里提过用select系统调用实现IO多路复用. 除select外Linux还提供了poll/epoll函数, 其中select/poll函数按顺序扫描文件句柄是否就绪,支持的文件句柄数有限; 而epoll使用基于事件驱动方式替代顺序扫描,性能更高, 对文件句柄数没有数量限制. JDK的Selector使用了epoll, 只需要一个线程轮询, 就可以接入大量的客户端.
- public class Client {
- public static void main(String[] args) throws IOException {
- SocketChannel sc = null;
- ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
- ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
- try {
- //创建通道
- sc = SocketChannel.open();
- //进行连接
- sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8765));
- // 下面步骤可以用selector轮询代替
- while(true){
- //定义一个字节数组,然后使用系统录入功能:
- byte[] bytes1 = new byte[1024];
- System.in.read(bytes1); //阻塞
- //把数据放到缓冲区中
- writeBuf.put(bytes1);
- //对缓冲区进行复位
- writeBuf.flip();
- //写出数据
- sc.write(writeBuf);
- //清空缓冲区
- writeBuf.clear();
- // 接收服务端响应
- sc.read(readBuf);
- readBuf.flip();
- byte[] bytes2 = new byte[readBuf.remaining()];
- readBuf.get(bytes2);
- readBuf.clear();
- String body = new String(bytes2);
- System.out.println("Client获取数据: " + body);
- }
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- sc.close();
- }
- }
- }
通过改变Selector监听Channel的状态位, 控制与客户端读写的先后顺序
- public class Server implements Runnable{
- private Selector seletor;
- private ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
- private ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
- public Server(int port){
- try {
- //1 创建多路复用器selector
- this.seletor = Selector.open();
- //2 创建ServerSocket通道
- ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
- //3 设置通道是否阻塞, 决定了通道了read/write/accept/connect方法是否阻塞
- ssc.configureBlocking(false);
- //4 设置通道地址
- ssc.bind(new InetSocketAddress(port));
- //5 将ServerSocket通道注册到selector上, 指定监听其accept事件
- ssc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_ACCEPT);
- System.out.println("Server start");
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- @Override
- public void run() {
- while(true){
- try {
- // select阻塞, 监听相关事件
- this.seletor.select();
- // 解除阻塞, 返回选择key, key含有通道, 状态等信息
- Iterator<SelectionKey> keysIter = this.seletor.selectedKeys().iterator();
- // 进行遍历
- while(keysIter.hasNext()){
- SelectionKey key = keysIter.next();
- keysIter.remove();
- if (key.isValid()) {
- // 等待接收连接状态
- if (key.isAcceptable()) {
- accept(key);
- }
- // 可读状态
- if (key.isReadable()) {
- read(key);
- }
- if (key.isWritable()) {
- write(key);
- }
- }
- }
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- private void write(SelectionKey key) {
- try {
- // 获取通道
- SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
- // 写回给客户端数据
- writeBuf.put("来自服务器的响应".getBytes());
- writeBuf.flip();
- sc.write(writeBuf);
- writeBuf.clear();
- // 修改监听的状态位, 如果保持OP_WRITE会导致重复写
- key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- private void read(SelectionKey key) {
- try {
- // 获取通道
- SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
- // 读取数据, 读到buffer. 按程序运行顺序, 这里sc是否设置为阻塞效果都一样
- int count = sc.read(this.readBuf); // readBuf写时会改变position的值
- if (count == -1) {
- key.channel().close();
- key.cancel(); //取消该通道在selector的注册, 之后不会被select轮询到
- return;
- }
- // 有数据则进行读取. 读取前需要将position和limit进行复位
- readBuf.flip();
- // 根据缓冲区的数据长度创建相应大小的byte数组, 接收缓冲区的数据
- byte[] bytes = new byte[this.readBuf.remaining()];
- // 接收缓冲区数据
- readBuf.get(bytes);
- readBuf.clear();
- String body = new String(bytes).trim();
- System.out.println("Server获取的请求: " + body);
- // 如果保持OP_READ会导致重复读
- sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_WRITE);
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- private void accept(SelectionKey key) {
- try {
- // 获取服务通道
- ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
- // 获取客户端通道.
- SocketChannel sc = ssc.accept();
- // 设置非阻塞模式
- sc.configureBlocking(false);
- // 将客户端通道注册到多路复用器上,指定监听事件
- sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- new Thread(new Server(8765)).start();;
- }
- }
BIO客户端与NIO服务端通信需注意的:
BIO服务端, 一次IO有明确的结束点, 客户端再次read会返回-1
NIO服务端一次IO结束后, 没有关闭通道, 它可能把通道从读状态转为写状态. 于是selector不监听读了, 客户端再次read什么都没返回, 就会阻塞.
3.NIO2.0
JDK7引入了NIO2.0(即AIO)
NIO1.0中, IO过程没有阻塞, 阻塞被转移到了Selector轮询上. Selector管理所有的Channel, 因此能把总阻塞时间缩到最短.
NIO2.0中, 供我们调用的IO API都是非阻塞的, 背后复杂的实现过程(肯定有阻塞)被转移到了JDK底层和操作系统上. 我们的程序的IO调用可以做到立即返回.
同样有Channel和Buffer, 但没有Selector
- public class Server {
- //线程池
- private ExecutorService executorService;
- //异步通道线程组
- private AsynchronousChannelGroup threadGroup;
- //服务器通道
- public AsynchronousServerSocketChannel assc;
- public Server(int port){
- try {
- //创建一个线程池
- executorService = Executors.newCachedThreadPool();
- //使用线程池创建异步通道线程组, 该线程组在底层支持着我们的异步操作
- threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(executorService, 1);
- //使用 异步通道线程组 创建服务器通道
- assc = AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup);
- //给通道绑定端口
- assc.bind(new InetSocketAddress(port));
- System.out.println("server start");
- // 下面的accept不会阻塞 , 一个accept只能接收一个连接请求
- // accept第一个参数: 被绑定到IO操作的关联对象(子类), 第二个参数 CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, 关联对象(父类)>, 操作成功后执行的回调句柄
- // 如果接受了一个新的连接, 其结果AsynchronousSocketChannel会被绑定与assc通道到相同的AsynchronousChannelGroup
- assc.accept(this, new ServerCompletionHandler());
- // 这里为了避免程序结束, 异步通道线程组结束就不会执行回调了
- Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- new Server(8765);
- }
- }
- //第一个参数: IO操作结果; 第二个参数: 被绑定到IO操作的关联对象
- public class ServerCompletionHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Server> {
- // 以下两个重载参数与CompletionHander的模板参数一致, 回调时被传入IO结果和IO操作时设置的关联对象
- @Override
- public void completed(AsynchronousSocketChannel asc, Server attachment) {
- // 完成当前连接时, 首先, 为下一个客户端能接入再次调用accept异步方法
- attachment.assc.accept(attachment, this);
- // 其次, 执行下一步的读操作
- read(asc);
- }
- @Override
- public void failed(Throwable exc, Server attachment) {
- exc.printStackTrace();
- }
- private void read(final AsynchronousSocketChannel asc) {
- //读取数据
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
- // 第一个参数: 读操作的Buffer, 第二个参数: IO关联对象, 第三个参数:CompletionHandler<Integer, IO管理对象父类>
- asc.read(buf, buf, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
- @Override
- public void completed(Integer resultSize, ByteBuffer attachment) {
- //进行读取之后,重置标识位
- attachment.flip();
- //获得读取的字节数
- System.out.println("Server端" + "收到客户端的数据长度为:" + resultSize);
- //获取读取的数据
- String resultData = new String(attachment.array()).trim();
- System.out.println("Server端" + "收到客户端的数据信息为:" + resultData);
- String response = "From服务端To客户端: 于" + new Date() + "收到了请求数据"+ resultData;
- write(asc, response);
- }
- @Override
- public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
- exc.printStackTrace();
- }
- });
- }
- private void write(AsynchronousSocketChannel asc, String response) {
- try {
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
- buf.put(response.getBytes());
- buf.flip();
- // 写操作, 异步
- Future<Integer> future = asc.write(buf);
- // 阻塞等待结果
- future.get();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- } catch (ExecutionException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- public class Client {
- private AsynchronousSocketChannel asc ;
- public Client() throws Exception {
- asc = AsynchronousSocketChannel.open();
- }
- public void connect() throws InterruptedException, ExecutionException{
- // get()阻塞
- asc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8765)).get();
- }
- public void write(String request){
- try {
- // get()阻塞
- asc.write(ByteBuffer.wrap(request.getBytes())).get();
- read();
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- private void read() throws IOException {
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
- try {
- // get()阻塞
- asc.read(buf).get();
- buf.flip();
- byte[] respByte = new byte[buf.remaining()];
- buf.get(respByte);
- System.out.println(new String(respByte,"utf-8").trim());
- // 关闭
- asc.close();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- } catch (ExecutionException e) {
- e.printStackTrace();
- } catch (UnsupportedEncodingException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- Client c1 = new Client();
- Client c2 = new Client();
- c1.connect();
- c2.connect();
- c1.write("aa");
- c2.write("bbb");
- }
- }
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