BIO和NIO的基本用法和API讲解

1 BIO

　　可以理解为Blocking IO 是同步阻塞的IO,也就是说，当有多个请求过来的时候，请求会呈现为链状结构，遵循先进先出的原则

1.1 单线程版本

1.1.1 服务端

//服务端单线程处理
public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        // 1.创建服务端socket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        System.out.println("服务端启动...");
        while (true){
            System.out.println("服务端接受客户端连接前");
            // 2.这里会阻塞
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("服务端接受客户端连接后");
            // 3.单线程处理方案
            handel(socket);
        }
    }
    private static void handel(Socket socket) throws IOException, InterruptedException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("服务端读取客户端传入信息前" );
        // 3.1 read会阻塞 读取客户端数据，要客户端开始写才会向下执行
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        if(read != -1){
            System.out.println( "服务端读取客户端传入信息，msg："+new String(bytes,0,read) );
        }
        System.out.println("服务端向客户端写入信息" );
        Thread.sleep(200); //假设写需要200ms
        socket.getOutputStream().write("hello client".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        socket.close();
    }

}

1.1.2 客户端

package com.ruoyi.weixin.Test.SI_BIO;

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;

public class BioClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {

            new Thread(()->{
                try {
                    connect(Thread.currentThread().getName());
                } catch (IOException | InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "客户端"+i ).start();
        }
    }

    public static void connect(String i) throws IOException, InterruptedException {
        String clientname = Thread.currentThread().getName();
        // 1.创建连接绑定ip和端口
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        System.out.println(clientname + "开始向服务端写入消息" );
        String msg = clientname + "-hello server";
        Thread.sleep(300); //假设写需要300ms
        socket.getOutputStream().write(msg.getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println(clientname + "开始向服务端写入消息完成" );

        byte[] bytes = new byte[1024];
        // 2.read会阻塞 读取客户端数据，要服务端开始写才会向下执行
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        // 3.接收服务端回传的数据
        System.out.println(clientname + "接收到服务端的数据:" + new String(bytes,0,read) );
        socket.close();
    }

}

1.1.3 执行

　　在客户端socket.getOutputStream().write(msg.getBytes());这里打个断点

　　在服务端socket.getOutputStream().write("hello client".getBytes());打个断点

1）启动服务端

2）启动客户端

　　客户端控制台，在断点处停住了

　　

服务端控制台，由于客户端在写之前停住了，所以在read()这里阻塞了

客户端放开断点

　　客户端控制台：

　　向服务端写完数据后，执行到read，阻塞等待服务端的数据

服务端控制台：

　　读取完客户端的数据，向下执行

　　由于断点，在向客户端写之前停住了

放开服务端断点

服务端控制台：

　　向客户端写完数据，请求处理完成，继续等待下一个请求

客户端控制台，接收服务端数据，请求完成

通过上面的示例，Nio处理请求是一个一个处理的，也就是同步

数据交互read()是阻塞的，需要等待write的执行，也就是阻塞

1.2 多线程版本

　　上面是一个线程去处理所有请求，现在，一个请求来了，就开一个线程去处理。

　　优点：把read阻塞给优化了，这里不会阻塞其他线程了，只会在自己的线程里面阻塞，提高了并发能力，提高了效率

　　缺点：这里有可能会无限制创建线程，线程是稀有资源，如果请求很多，这个时候客户端一直不执行write方法，所有线程就会阻塞在read方法那里，导致线程暴涨，cpu升高，导致机器假死

　　再优化，采用线程池管理线程去处理请求，可以限制线程数量

public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        // 1.创建服务端socket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        System.out.println("服务端启动...");
        while (true){
            System.out.println("服务端接受客户端连接前");
            // 2.这里会阻塞
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("服务端接受客户端连接后");
            // 3.单线程处理方案
            new Thread(()->{
                try {
                    handel(socket);
                } catch (IOException | InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
    private static void handel(Socket socket) throws IOException, InterruptedException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("服务端读取客户端传入信息前" );
        // 3.1 read会阻塞 读取客户端数据，要客户端开始写才会向下执行
        int read = socket.getInputStream().read(bytes);
        if(read != -1){
            System.out.println( "服务端读取客户端传入信息，msg："+new String(bytes,0,read) );
        }
        System.out.println("服务端向客户端写入信息" );
        Thread.sleep(200); //假设写需要200ms
        socket.getOutputStream().write("hello client".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        socket.close();
    }

}

2 NIO

　　我们上面对BIO进行了一系列的说明，证明了BIO是一个同步的阻塞的IO模型，引出我们NIO，NIO是non-blocking IOjava也称为new IO,是同步非阻塞的IO，下面我们直接上流程图吧

server:服务端

　　服务端会产生一个ServerSocketChannel，它会注册到selector中，用于服务端和客户端通信使用

client:客户端

　　客户端会产生一个SocketChannel,它会注册到seletor中，用户服务端和客户端通信使用

buffer:缓冲区

　　用于客户端和服务端进行数据传输使用，既可以read也可以wirte

channel:通道

　　包括服务端的ServerSocketChannel和客户端的SocketChannel的通道，它是连接客户端和服务端的通道，是一个双向的既可以读也可以写，都是通过buffer完成的

selector:多路复用器

　　负责管理channel

selectedKeys:用于获取SocketChannel

2.1 服务端代码

//同步非阻塞  把整个过程分为三部分  建立连接  接收客户端数据(在客户端写之前，不会触发本事件，可以去处理其它的事件)  向客户端发送数据 类似于生产者消费者
public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 打开服务端通道
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 设置成非阻塞
        ssc.configureBlocking(false);
        // 绑定端口
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 打开多路复用器
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接感兴趣
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
            System.out.println("等待事件发生。。");
            // 选择多路复用器里面的通道，方法是阻塞的，只有存在客户端进行连接，才可以执行后面逻辑
            int select = selector.select();
            System.out.println("有事件发生了。。");
            // 获取多路复用器里面的所有注册的通道key
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                // 获取某一个通道key
                SelectionKey key = it.next();
                // 删除当前可以，防止多次处理
                it.remove();
                handle(key);
            }
        }
    }

    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        // 验证当前通道属于什么事件
        if (key.isAcceptable()) { // 连接事件
            System.out.println("有客户端连接事件发生了。。");
            // 获取当前key所在的通道
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            // 调用accept()方法获取客户端SocketChannel通道。
            //注意这里是阻塞状态的，但是也是非阻塞状态的，这里就是NIO的精髓
            //我给大家讲解一下，accept()方法本身是阻塞，它要有客户端连接进来才能向下执行
            //前面已经判断是Acceptable()事件，所以一定有客户端进行连接，所以这里就不用等待了
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            // 设置通道为非阻塞方式
            sc.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到多路复用器上，并且注册事件是OP_READ时间
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            System.out.println("有客户端数据可读事件发生了。。");
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int len = sc.read(buffer);
            if (len != -1){
                System.out.println("读取到客户端发送的数据:" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
            ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
            sc.write(bufferToWrite);
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        } else if (key.isWritable()) {
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            System.out.println("write事件");
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }

}

2.2 客户端代码

//把整个过程分为三个事件  建立连接  向服务端发送数据 接收服务端数据(在服务端写之前，不会触发本事件，线程就可以去处理其它的事件)
public class NioClient {

    private Selector selector;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

            new Thread(()->{
                try {
                    co(Thread.currentThread().getName());
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "客户端1" ).start();

    }

    public static void co(String clientname ) throws IOException {
        NioClient nioClientDemo = new NioClient();
        // 初始化客户端
        nioClientDemo.initClient("localhost",9000);
        // 客户端进行对应操作
        nioClientDemo.connect( clientname);
    }

    /**
     * 初始化客户端
     * @param ip
     * @param port
     * @throws IOException
     */
    private  void initClient(String ip,int port) throws IOException {
        // 获取socket通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 配置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 打开多路复用器
        this.selector = Selector.open();
        // 连接服务端 其实改方法并没有实现连接，
        // 需要在listen()方法中调用channel.finishConnect();才能完成连接
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
        // 将socket注册到多路复用器，事件为SelectionKey.OP_CONNECT事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }
    private void connect(String clientname) throws IOException {

        while (true){
            // 监听多路复用器里面是否存在需要处理的channel 这里是阻塞的
            selector.select();
            // 获取多路复用器中的channel对应的key
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                // 获取SelectionKey
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 获取到之后把当前可以删除，防止重复获取
                iterator.remove();
                // 验证SelectionKey对应的事件
                if(key.isConnectable()){
                    // 获取通道
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    if(channel.isConnectionPending()){
                        channel.finishConnect();
                    }
                    // 配置成非阻塞方式
                    channel.configureBlocking(false);
                    // 写入缓冲流
                    String msg = clientname + "：Hello server";
                    ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                    // 向服务端写入信息
                    channel.write(wrap);
                    // 把当前通道注册到多路复用器中，并且注册事件是OP_READ事件
                    channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                }else if(key.isReadable()){
                    read(key);
                }else if(key.isWritable()){
                    System.out.println("客户端开始写事件");
                }

            }
        }
    }
    /**
     * 进行读消息
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    private void read(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 设置缓存流一次读取的大小
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 读取消息
        int len = channel.read(buffer);//channel.read()不是阻塞的
        if(len != -1){
            System.out.println("客户端收到消息：" + new String(buffer.array(),0,len)) ;
        }
    }

}

2.3 执行

为了方便测试，上面客户端代码再复制一份，改一下客户端名称，现在就有两个客户端了

在服务端ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());打个断点

在两个客户端的ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());打个断点

启动服务端

　　

启动客户端1

　　客户端1：

　　　　在断点处停住了

服务端：

　　注意，此时，服务端在int select = selector.select();处阻塞，等待事件的到来

　　我们可以启动客户端2来看效果

　　

启动客户端2：

　　客户端2：

　　　　停在断点处

　　服务端：

　　　　发现，服务端处理了客户端2的连接事件

　　

放开客户端1的断点

　　客户端1：写完后，客户端在selector.select();处阻塞，等待事件的到来

　　服务端：读取到客户端1的数据，并且在断点处停住了

　　　　

放开服务端断点

　　服务端：发送完数据。再次等待下一个事件的到来

　　

　　客户端1：接收完数据，等待下一个事件(一般来说到这里请求就处理完成了)

放开客户端2的断点：

　　客户端2：写完后，客户端在selector.select();处阻塞，等待事件的到来

　　服务端：读取到客户端2的数据，并且在断点处停住了

放开服务端断点

　　服务端：发送完数据。再次等待下一个事件的到来

　　服务端：

客户端2：接收完数据，等待下一个事件(一般来说到这里请求就处理完成了)

它的关键是把建立连接，发送数据，接收数据分为三个事件来处理。

这样建立完连接，服务器就空闲下来。等待处理下一个事件。

就算这个请求的客户端在write之前去处理业务需要花费很多时间，也不会阻塞服务端。服务端可以去处理其它请求的事件。所以是非阻塞。