JAVA BIO至NIO演进

主要阐述点：

1、同步/异步 or  阻塞/非阻塞

2、网络模型演进

3、NIO代码示例

一、同步/异步 or  阻塞/非阻塞

同步/异步：核心点在于是否等待结果返回。同步即调用者必须等到结果才返回，而异步则可立即返回无需等待结果，通过后期异步回调、状态检查等方式得到结果。

阻塞/非阻塞：核心点在于执行线程是否会阻塞。阻塞，例如在读操作中如果内核数据未准备好则会当阻塞读线程；而非阻塞，在内核数据未准备好前读线程无需等待，可以忙里偷闲干别的事情，

但是需要定期检查。

二、网络模型演进

1、原始版BIO： 单线程监听链接，每次只处理一个链接请求且读写阻塞。缺点：每次只能处理一个请求，读写阻塞。

2、线程版BIO： 单线程监听链接，可同时处理多个请求，每次分配一个线程处理一个链接请求，线程之间读写非阻塞。缺点：线程可能开设过多导致机器瓶颈，线程过多导致cpu上下文切换消耗大，

线程销毁浪费资源，单线程内部读写依然阻塞。

3、线程池版BIO： 单线程监听链接，可同时处理多个请求，每次将链接请求加入线程池工作队列，减少【线程版BIO】线程创建过多问题，线程之间读写非阻塞。缺点：存在客户链接数量限制，

单线程内部读写依然阻塞。

4、JDK4版本NIO：单线程监听链接，可同时处理多个请求，基于事件驱动形式。Selector封装操作系统调用(如linux epoll)，每个客户端链接用通道Channel表示，当通道Channel数据准备完毕将触发相应事件。

• 4.1、NIO解决传统BIO痛点问题：

（1）读写阻塞：传统BIO只有当线程读写完成才会返回，否则线程将阻塞等待。而NIO在通道Channel准备完毕之后会由Selector触发事件，线程基于事件完成相应操作。在内核数据未准备好之前，线程

可以忙里偷闲处理其他逻辑，解决BIO阻塞等待内核数据准备的问题。

（2）客户端链接数量限制：BIO利用开设线程解决客户端之间读写非阻塞问题，但单机开设线程数量存在限制(即使开设线程池处理也有上限)，而在像QQ聊天室这样需要建立大量长链接但数据量小的场景中难以满足需求。

在NIO中每个客户端链接对应一个SocketChannel，所有通道Channel注册到Selector统一管理。通道Channel相对线程Thread更轻量级，单机即可同时处理大量链接。

• 4.2、网络模型

上图体现了JAVA NIO 中有3个核心概念：

• Channel：与传统BIO的InputStream/OutputStream类似，区别在于Channel为双向通道支持同时读写。
• Buffer：独立数据缓冲区，所有关于Channel的读写操作都需要经过Buffer。
• Selector：将Channel注册到Selector并监听通道事件，是NIO模型中的核心类。

详细概念参考 JAVA NIO Tutorial

三、NIO代码示例

服务端Server端代码：

public class MyNioServer {
    private Selector selector;
    private final static int port = 8686;
    private final static int BUF_SIZE = 10240;
    private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

    private void initServer() throws IOException {
        //创建通道管理器对象selector
        this.selector = Selector.open();

        //创建一个通道对象channel
        ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
        channel.configureBlocking(false);
        channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true){
            // 这是一个阻塞方法，一直等待直到有数据可读，返回值是key的数量（可以有多个）
            selector.select();
            // 如果channel有数据了，将生成的key访入keys集合中
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            // 得到这个keys集合的迭代器
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isAcceptable()){
                    doAccept(key);
                }else if (key.isReadable()){
                    doRead(key);
                }else if (key.isWritable()){
                    doWrite(key);
                }else if (key.isConnectable()){
                    System.out.println("连接成功！");
                }
            }
            selector.selectedKeys().clear();
        }
    }

    public void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        System.out.println("ServerSocketChannel正在循环监听");
        SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
    }

    public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        byteBuffer.clear() ;
        int size = clientChannel.read(byteBuffer);
        byteBuffer.flip() ;
        byte[] data = byteBuffer.array();
        String msg = new String(data, 0, size).trim();
        System.out.println("从客户端发送过来的消息是："+msg);

        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
    }

    public void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        byteBuffer.clear();
        byteBuffer.put("收到你的请求 给客户端回复消息".getBytes()) ;
        byteBuffer.flip() ;
        while (byteBuffer.hasRemaining()){
            clientChannel.write(byteBuffer);
        }

        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyNioServer myNioServer = new MyNioServer();
        myNioServer.initServer();
    }
}

MyNioServer.java

客户端Client代码：

public class MyNioClient {
    private Selector selector;          //创建一个选择器
    private final static int port_server = 8686;
    private final static int BUF_SIZE = 10240;
    private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

    private void  initClient() throws IOException {
        this.selector = Selector.open();
        SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port_server));
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true){
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isConnectable()){
                    doConnect(key);
                }else if (key.isWritable()){
                    doWrite(key, scanner);
                }else if (key.isReadable()){
                    doRead(key);
                }
            }

            selector.selectedKeys().clear();
        }
    }

    public void doConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        if (clientChannel.isConnectionPending()){
            clientChannel.finishConnect();
        }
        System.out.println("已经与服务端建立链接");
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
    }

    public void doWrite(SelectionKey key, Scanner scanner) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        System.out.print("please input message:");
        String message = scanner.nextLine();
        byteBuffer.clear();
        byteBuffer.put(message.getBytes("UTF-8"));
        byteBuffer.flip();
        while (byteBuffer.hasRemaining()){
            clientChannel.write(byteBuffer);
        }

        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
        byteBuffer.clear() ;
        int size = clientChannel.read(byteBuffer);
        byteBuffer.flip() ;
        byte[] data = byteBuffer.array();
        String msg = new String(data, 0 , size).trim();
        System.out.println("服务端发送消息："+msg);

        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyNioClient myNioClient = new MyNioClient();
        myNioClient.initClient();
    }
}

MyNioClient.java

交互信息：

==> 客户端 

已经与服务端建立链接
please input message:hello
服务端发送消息：收到你的请求 给客户端回复消息
please input message:world
服务端发送消息：收到你的请求 给客户端回复消息
please input message:kitty
服务端发送消息：收到你的请求 给客户端回复消息
please input message:

==> 服务端
ServerSocketChannel正在循环监听
从客户端发送过来的消息是：hello
从客户端发送过来的消息是：world
从客户端发送过来的消息是：kitty

参看链接：深入分析 Java I/O 的工作机制