BIO、NIO、Netty

忘是亡心i 2023-07-16 14:59 33阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  BIO
     *  NIO
     *   *   *  通道（Channel）和缓冲区（Buffer）
             *  缓冲区
             *  直接缓冲区和非直接缓冲区
             *  通道
             *  使用NIO实现文件读写
             *  网络NIO
             *   *  Selector选择器
                 *  SelectionKey
                 *  serverSocketChannel
                 *  SocketChannel
     *  NIO和BIO的区别
     *  Netty
     *   *   *  线程模型和异步模型

## BIO ##

BIO（basic IO或者block IO），主要应用于文件IO和网络IO，BIO和NIO最大的不同是BIO是阻塞式的，而NIO是非阻塞式的。  
下面是一个BIO实现基于TCP网络IO的例子：

TCP服务端：

public class TCPServer { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            // 服务端socket连接
            ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
    
            while(true) { 
                // 阻塞监听客户端连接
                Socket s = ss.accept();
    
                // 阻塞等待客户端写入数据到输入流
                InputStream is = s.getInputStream();
                
                byte[] b = new byte[1024];
                // 将用户写入的数据保存到数组中
                is.read(b);
    
                // 获取客户端IP
                String clientIP = s.getInetAddress().getHostAddress();
                System.out.println(clientIP + ":" + Arrays.toString(b));
    
                // 获取输出流
                OutputStream os = s.getOutputStream();
                // 写数据到输出流给客户端
                os.write("I am listening 9999 port!".getBytes());
    
                // 关闭
                s.close();
            }
        }
    }

TCP客户端：

public class TCPClient { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            while(true) { 
                // 打开客户端socket
                Socket s = new Socket("127.0.0.1", 9999);
    
                // 阻塞获取输出流
                OutputStream os = s.getOutputStream();
    
                System.out.println("please input:");
                Scanner sc = new Scanner(System.in);
                String msg = sc.nextLine();
    
                // 写数据到输出流
                os.write(msg.getBytes());
    
                // 获取输入流，读取服务端写的数据，阻塞
                InputStream is = s.getInputStream();
                byte[] b = new byte[1024];
                is.read(b);
                System.out.println("server response:" + Arrays.toString(b));
    
                s.close();
            }
        }
    }

## NIO ##

NIO（New IO或者是non-blocking IO），NIO和BIO作用和目的相同，但是他们的实现方式不同。

*  BIO采用流的方式处理数据；NIO采用块的方式处理数据，这种一块处理数据的方式 IO效率比流IO效率高很多
 *  BIO是阻塞式的，NIO是非阻塞式的
 *  BIO流的方式是单向的，即有一个输入流和一个输出流；NIO采用的缓冲区是双向的，数据可以从缓冲区写入到通道中，也可以从通道读入到缓冲区

在面向缓冲区的NIO中，磁盘\\网络数据和应用程序进行传输要建立**通道**，通道可以想象成一条铁路，用于两个地点的连接，实际上是通过火车运输的。类似的，通道也是，它只是磁盘/网络文件和程序之间建立的一个连接，本身不传输数据，传输数据用的是缓冲区（类似火车）。通道是双向的，数据放到缓冲区中进行传输，磁盘/网络数据传递给应用程序，应用程序取出数据后可以放入新的数据到缓冲区中，然后缓冲区又把数据发送到磁盘/网络上。

#### 通道（Channel）和缓冲区（Buffer） ####

**NIO系统的核心在于：通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（selector）**。通道表示打开到IO设备（如文件、套接字）的连接。若需要使用NIO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之，**通道负责传输数据，缓冲区负责存储数据。**  
![在这里插入图片描述][20200321214023923.png]

#### 缓冲区 ####

缓冲区实际上是一个容器，是一个特殊数组，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。

根据数据类型不同，提供了相应类型的缓冲区：

*  ByteBuffer
 *  CharBuffer
 *  ShortBuffer
 *  IntBuffer
 *  LongBuffer
 *  FloatBuffer

缓冲区中的基本方法和属性如下示例：

public class Test { 
        public static void main(String[] args) { 
            IntBuffer buf = IntBuffer.allocate(1024);
    
            /** * 属性： * position：当往缓冲区中写数据的时候，position指向当前缓冲区 * 可用位置头部；当读取数据模式时，position指向缓冲区数据的头部 * limit：当写数据时，limit指向缓冲区尾部；当读数据模式时，指向缓冲区 * 有数据区的尾部 * capacity：指向缓冲区尾部 */
            System.out.println("---allocate---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
    
            // 写数据到缓冲区
            buf.put(1);
            buf.put(2);
            System.out.println("---put---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
    
            // 切换到读模式
            buf.flip();
            System.out.println("---flip---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
    
            // 读取缓冲区中的数据
            int[] dst = new int[buf.limit()];
            buf.get(dst);
            System.out.println("---get---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
    
            // 重新读取缓冲区数据，使position重新执行数据头部
            buf.rewind();
            System.out.println("---rewind---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
    
            dst = new int[buf.limit()];
            buf.get(dst); // 如果不进行rewind()操作，则这里会抛异常：java.nio.BufferUnderflowException
    
            // 清空缓冲区，但是缓冲区中的数据依旧存在，只是数据不能再被读取
            buf.clear();
            System.out.println("---clear---");
            System.out.println(buf.position());
            System.out.println(buf.limit());
            System.out.println(buf.capacity());
        }
    }

结果：

---allocate---
    0
    1024
    1024
    ---put---
    2
    1024
    1024
    ---flip---
    0
    2
    1024
    ---get---
    2
    2
    1024
    ---rewind---
    0
    2
    1024
    ---clear---
    0
    1024
    1024

#### 直接缓冲区和非直接缓冲区 ####

*  非直接缓冲区：通过allocate()方法分配缓冲区，将缓冲区建立在JVM内存中。  
    通过allocate()方法分配非直接缓冲区
 *  直接缓冲区：通过allocateDirect()方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。  
    通过allocateDirect()方法分配直接缓冲区  
    可以提高数据读取效率，但是分配和销毁物理内存映射区会耗费性能

> 通过调用缓冲区对象的isDirect()方法来获取是那种缓冲区（直接缓冲区返回true，非直接缓冲区返回false）

非直接缓冲区：  
数据先从物理磁盘读到内核地址空间，再copy到用户地址空间（JVM）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lUXzEw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
直接缓冲区：  
NIO增加了直接缓冲区，去掉了内核地址空间和用户地址空间直接的copy，而是创建了一个物理内存映射文件，用来存储数据。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lUXzEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 通道 ####

类似于BIO中的流，如FileInputStream对象，通道用来建立IO源与目标（文件、网络套接字、硬件设备等）的一个连接，通道本身不能访问数据，而是只能与buffer进行交互。  
BIO中的stream是单向的，例如FileInputStream对象只能进行读取数据的操作，而NIO中的通道是双向的，既可以用来进行读操作，也可以用来写操作。常用Channel类：

*  FileChannel：用于文件的数据读写
 *  DatagramChannel：用于UDP的数据读写
 *  ServerSocketChannel：用于服务端TCP的数据读写
 *  SocketChannel用于客户端TCP的数据读写

#### 使用NIO实现文件读写 ####

// 通过NIO实现文件IO
    public class TestNIO { 
    
        // 往本地文件中写数据
        @Test
        public void test1() throws IOException { 
            // 创建输出流
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("basic.txt");
            // 从流中得到一个通道
            FileChannel fc = fos.getChannel();
            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            String str = "hello";
            // 把一个字节数组存入缓冲区
            buffer.put(str.getBytes());
    
            // 调整缓存区的position和limit的位置，切换到读模式
            buffer.flip();
            // 把缓冲区写到通道中
            fc.write(buffer);
            // 关闭
            fos.close();
        }    
    	
    	// 从本地文件读数据
        @Test
        public void test2() throws IOException { 
            File file = new File("basic.txt");
    
            // 创建输入流
            FileInputStream fis = new FileInputStream("basic.txt");
    
            // 获取管道
            FileChannel fc = fis.getChannel();
    
            // 创建缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int)file.length());
    
            // 从通道读取数据存入缓冲区
            fc.read(buffer);
    
            System.out.println(Arrays.toString(buffer.array()));
        }
    
        // 使用NIO实现文件复制
        @Test
        public void test3() throws IOException { 
            // 创建输入缓冲区和输入缓冲区
            FileInputStream fis = new FileInputStream("basic.txt");
            FileOutputStream fop = new FileOutputStream("basic2.txt");
    
            // 获取输入缓冲区和输出缓冲区的管道
            FileChannel channel1 = fis.getChannel();
            FileChannel channel2 = fop.getChannel();
    
            // 缓冲区数据的复制（把输入缓冲区的数据写到输出缓冲区中）
            channel2.transferFrom(channel1, 0, channel1.size());
    
            fis.close();
            fop.close();
        }
    }

上面用到的FileChannel并不支持非阻塞操作，NIO的主要用途是进行网络IO。

#### 网络NIO ####

Java NIO中的网络通道是非阻塞IO的实现，基于事件驱动，**非常适用于服务器需要维持大量连接，但是数据交换量不大的情况**，例如一些技术通信的服务等等。

在Java中编写Socket服务器，通常有以下几种模式：

*  一个客户端连接用一个线程  
    优点：编程简单  
    缺点：连接非常多时，分配的线程也会非常多，服务器可能会因为资源耗尽而崩溃
 *  把每一个客户端连接交给一个拥有固定数量线程的连接池  
    优点：编程简单，可以处理大量连接  
    缺点：线程的开销非常大，如果连接非常多，排队现象会比较严重
 *  使用java的NIO，用非阻塞的IO方式处理。这种模式可以用一个线程处理大量的客户端连接。

问题：

*  NIO如何做到非阻塞？
 *  NIO如何做到一个线程可以处理多个客户端连接？

Java NIO能做到如上两点，主要是下面这四个核心类及其API。

##### Selector选择器 #####

能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，即多个连接。这样使得只有连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写操作，**大大减小了系统开销**，**并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了线程之间的上下文切换导致的开销**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lUXzEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
该类的常用方法：  
![在这里插入图片描述][20200327160302899.png]

##### SelectionKey #####

SelectionKey代表了Selector和serverSocketChannel的注册关系，可以理解为读、写、连接事件，一共有四种：

*  int OP\_ACCEPT，有新的网络连接可以accept，值为16
 *  int OP\_CONNECT，代表连接已经建立，值为8
 *  int OP\_READ、int OP\_WRITE，代表读、写操作，值为1和4

该类的常用方法：  
![在这里插入图片描述][20200327160441754.png]

##### serverSocketChannel #####

serverSocketChannel用来在服务器端监听新的客户端Socket连接。  
该类的常用方法：  
![在这里插入图片描述][20200327160601733.png]

##### SocketChannel #####

网络IO通道，具体负责进行读写操作。NIO总是把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读出到缓冲区。  
该类的常用方法：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lUXzEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

示例：  
服务器端：

import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.*;
    import java.util.Iterator;
    
    public class NIOServer { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            // 打开服务端负责监听客户端连接的管道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    
            // 打开一个选择器，监听客户端的行为
            Selector selector = Selector.open();
    
            // 给服务端绑定端口
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
    
            // 设置NIO为非阻塞模型
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    
            // 将serverSocketChannel注册到选择器中国
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            Iterator<SelectionKey> iterator;
            // 开始处理客户端的连接、读、写操作
            while (true) { 
                if (selector.select(2000) == 0) { 
                    System.out.println("server：没有客户端事件，服务端可以处理其他的任务");
                    continue;
                }
    
                // 获取selectionKey集合的迭代器，遍历这个集合
                // 这里一定要使用迭代器，因为涉及到一遍遍历一遍删除的情况
                iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) { 
                    SelectionKey key = iterator.next();
    
                    // 客户端连接事件
                    if(key.isAcceptable()) { 
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                    }
    
                    // 读取客户端数据
                    if(key.isReadable()) { 
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("客户端数据："+new String(buffer.array()));
                        
                    }
    
                    // 将处理过的事件从集合中移除
                    selector.selectedKeys().remove(key);
                }
            }
        }
    }

客户端：

import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    public class NIOClient { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            // 得到一个网络通道
            SocketChannel channel = SocketChannel.open();
    
            // 设置NIO为非阻塞模式
            channel.configureBlocking(false);
    
            // 服务端的ip和端口号
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999);
    
            // 尝试连接
            if(! channel.connect(address)) { 
                // 一直尝试连接
                while (! channel.finishConnect()) { 
                    // 连接的过程中，客户端可以处理其他任务，这就是NIO非阻塞模型的优势
                    System.out.println("客户端连接服务端的同时，可以处理其他任务");
                }
            }
    
            String msg = "hello server";
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
    
            // 将缓冲区数据写入通道
            channel.write(byteBuffer);
    
            // 不让客户端程序退出
            System.in.read();
        }
    }

## NIO和BIO的区别 ##

*  BIO采用流的方式处理数据；NIO采用块的方式处理数据，这种一块处理数据的方式 IO效率比流IO效率高很多
 *  BIO流的方式是单向的，即有一个输入流和一个输出流；NIO采用的缓冲区是双向的，数据可以从缓冲区写入到通道中，也可以从通道读入到缓冲区
 *  BIO是阻塞式的，NIO是非阻塞式的
 *  BIO方式适合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
 *  NIO方式使用于连接数目多且连接比较短的架构，如聊天服务器，并发局限于应用中，编程复杂

> 还有一种IO模型是AIO，A表示异步Synchronized，即异步非阻塞模型。对于NIO同步非阻塞模型中，需要轮询检查是否有客户端事件需要处理。而对于AIO异步非阻塞模型中，客户端有事件发生时会去通知服务端进行处理，而不用服务端不停地轮询检测。AIO方式适用于连接数目多且连接比较长的架构，如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂。

## Netty ##

Netty是一个Java开源框架，Netty提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠的网络IO程序。Netty基于NIO开发的。Netty框架的目的就是使业务逻辑和网络编码部分分离出来。

#### 线程模型和异步模型 ####

讲解Netty之前，先来了解下Java的线程模型：

*  单线程模型，服务端只用一个线程通过多路复用搞定所有的IO操作（连接、读、写），编码简单，但是如果客户端连接数量较多，将无法支持，如上面网络NIO的示例，只有一个selector线程处理客户端的连接、读、写事件
 *  线程池模型 ，服务端采用一个线程专门处理客户端的连接请求，采用一组线程（放在线程池中）负责IO操作。在绝大多数场景下，该模型都能够满足使用。
 *  Netty模型，改进线程池模型。采用了两个线程池，一个线程池（称为Boos Group）中的一组线程负责客户端的连接请求，另一个线程池（称为Worker Group）中的一组线程负责客户端的IO操作。NioEventLoop表示一个不断循环执行处理任务的线程，每个NioEventLoop都有一个selector，用于监听绑定在其上的secket网络通道。NioEventLoop内部采用串行化设计，从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终是由IO程序NioEventLoop负责。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lUXzEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
    上面就是Netty的线程模型，下面来说说Netty的异步模型。  
    Netty的异步模型是建立在future和callback上的。future的核心思想是：假设一个方法fun，计算过程可能非常耗时，等待fun返回显然不合适。那么可以在调用fun的时候，立马返回一个Future，然后程序可以继续往下执行其他线程，后续可以通过future去监控方法fun的处理过程。当fun方法执行完成返回后，通过callback方法去接受返回并处理相应逻辑。

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BIO、NIO、Netty

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