IO系列第一章——BIO

比眉伴天荒 2024-04-08 11:29 25阅读 0赞

### 1、BIO ###

关于BIO有同学可能会说不知道，但是知道IO。其实你之前学过那些java.io包下面的输入流和输出流就是BIO中的文件IO部分。例如InputStream、OutputStream。还有一部分就是网络IO，在java.net包下面的提供了部分网络API，例如Socket, ServerSocket。

#### 1.1 概念 ####

Java BIO就是传统的java io编程，在java.io包下有相关的类和接口。  
**BIO:同步并阻塞(传统阻塞型)**，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销（当然可以通过线程池机制改善）。

**同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。**  
**同步**：指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪。

> 生活案例:自己拿上银行卡去银行取钱（使用同步IO时，Java自己处理IO读写）。

**异步**：指的是用户进程触发IO操作以后便开始做其他的事情,而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。

> 生活案例:托朋友拿着自己的银行卡去银行取钱，告诉朋友自己的银行卡密码，自己去办理其他事情。同时,你还要告诉朋友取完钱给你送到哪里。(  
> 使用异步I/O时, Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS )。

**阻塞和非阻塞是针对进程在访问数据的时候,根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式。**  
**阻塞**：指的是准备对文件进行读写时,如果当时没有东西可读,或暂时不可写,程序就进入等待状态，直到有东西可读或可写为止。

> 生活案例：你在ATM取款，发现前面有人，你只能等待，等其他人办理完你才能取钱（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）。

**非阻塞**：指的是如果没有东西可读,或不可写,读写函数马上返回,而不会等待。

> 生活案例：在银行办业务时,人多要先取个号，然后我们可以跟朋友开黑，等轮到我们,银行就会通知,这时候我们就可以去办业务了（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）。

#### 1.2 工作模型 ####

![在这里插入图片描述][0422119b01714ee5920caed7850a01f6.png]  
1、启动一个服务器（serverSocket），等待客户端的连接  
2、启动一个客户端（Socket），然后与服务器进行通信（默认情况下服务器端需要给每个客户端建立一个线程与其通信）。  
3、客户端发出请求，询问服务器是否有线程响应，如果没有就会等待或被拒绝。  
4、如果有响应，客户端线程会等待请求结束后再继续执行。

#### 1.3 案例 ####

使用BIO模型编写一个服务器（服务器端口为10086），客户端可以发消息给服务器。  
服务器端：

package testIO;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    /**
     * BIO模式下的服务器
     */
    public class BIOServer {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            try {
        
    //服务器
                ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(10086);
                System.out.println("服务器启动--端口号是10086");
                while(true){
        
    //连接到服务器的客户端--堵塞方法
                    Socket client = serverSocket.accept();
                    System.out.println("有客户端连接成功！");
    //为每个客户端连接都创建一个新的线程与之通信
                    new Thread(()->{
        
                        System.out.print("线程id:"+Thread.currentThread().getId());
                        System.out.println("线程名 称:"+Thread.currentThread().getName());
                        try {
        
                            int len=0;
                            byte[] byteArr=new byte[1024];
    //读取来自客户端的数据
                            InputStream inputStream = client.getInputStream();
                            while((len=inputStream.read(byteArr))!=-1){
        
                                System.out.println(len);
                                String msg=new String(byteArr,0,len);
                                System.out.println("来自客户端的消息："+msg);
                            }
                        } catch (IOException e) {
        
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }).start();
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

客户端：

package testIO;
    
    import java.io.IOException;
    import java.io.OutputStream;
    import java.net.Socket;
    /**
         * BIO模式的客户端
         */
        public class BIOClient {
        
            public static void main(String[] args) {
        
                try {
        
                    //创建客户端
                    Socket client=new Socket("127.0.0.1", 10086);
                    String msg="hi,xiaoli";
                    OutputStream outputStream = client.getOutputStream();
                    System.out.println(msg.length());
                    outputStream.write(msg.getBytes(), 0, msg.length());
                    outputStream.close();
                    System.in.read();//目的是让客户端保持与服务器的连接
                } catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
    }

![在这里插入图片描述][3f7448deb4104d7f9f02a788a72b9752.png]

#### 1.4 服务器优化+Telnet测试 ####

#### 1.4.1 通过线程池 ####

服务端代码改进如下：

package testIO;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    /**
     * BIO模式下的服务器
     */
    public class BIOServer {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //创建线程池
            ExecutorService executorService= Executors.newCachedThreadPool();
            try {
        
    //服务器
                ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(10086);
                System.out.println("服务器启动--端口号是10086");
                while(true){
        
    //连接到服务器的客户端--堵塞方法
                    Socket client = serverSocket.accept();
                    System.out.println("有客户端连接成功！");
    //为每个客户端连接都创建一个新的线程与之通信
                    executorService.execute(()->{
        
                        System.out.print("线程id:"+Thread.currentThread().getId());
                        System.out.println("线程名 称:"+Thread.currentThread().getName());
                        try {
        
                            int len=0;
                            byte[] byteArrs=new byte[1024];
    //读取来自客户端的数据
                            InputStream inputStream = client.getInputStream();
                            while((len=inputStream.read(byteArrs))!=-1){
        
    
                                String msg=new String(byteArrs,0,len);
    
                                System.out.println("来自客户端的消息："+msg);
                            }
                        } catch (IOException e) {
        
                            e.printStackTrace();
                        }
                    });
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

可以看到一直用的是线程池的一个线程  
![在这里插入图片描述][e1ed26c6525748a0bc8880266ef9c7a0.png]  
客户端代码还是如上；

#### 1.4.2 Telnet 方式测试 ####

这个方法就不需要用到client代码了  
![在这里插入图片描述][2c5f2f38cb034c3a97562c6ef9fdaa7a.png]

解决方案：

windows7 在这里找  
![在这里插入图片描述][97a207a059474e7e9ce00464e7f2ceab.png]

Windows11在这里找;  
![在这里插入图片描述][6b43c41158464c4f88ac8a4953bd2aa0.png]

如果是第⼀次打开这个功能，加载⽐较慢。加载完成后，找到  
Telnet客户端选项，勾选这个选项，然后点击确定保存。  
![在这里插入图片描述][e421412cd6b946029ffbe37e3995c2cc.png]  
![在这里插入图片描述][ca6ece5a44b34fa5a15b89be4ea9b947.png]  
OK了！！

这回可以进来了  
![在这里插入图片描述][c9c0af167fd74de6aaf15cce2725d0fb.png]  
按Ctrl + \]  
![在这里插入图片描述][702475ed126e4824803a793d25fb1d0b.png]  
![在这里插入图片描述][332db8fab96d49b5958dbe4c83f9ab90.png]  
![在这里插入图片描述][01f889648a844f278bc8c6105b54d113.png]  
可以看到已经发送成功了。

### 1.5 总结 ###

#### 1.5.1 BIO缺点： ####

客户端越来越多，服务器就要开启越来越多的线程，对服务器的压力就会越大；而且客户端发起一个连接之后不一定都在做事情，这个时候服务器也要维护，造成不必要的压力。

#### 1.5.2 使用场景： ####

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，该方式是JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

[0422119b01714ee5920caed7850a01f6.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/eb71d1c2ca714bb68a145edc2f1d410f.png
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