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一文弄懂-BIO,NIO,AIO

1. BIO: 同步阻塞IO模型

2. NIO: 同步非阻塞IO模型(多路复用)

3.Epoll函数详解

4.Redis线程模型

5. AIO: 异步非阻塞IO模型 (NIO 2.0)

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1. BIO: 同步阻塞IO模型

特点：对于客户端的请求,服务端是同步返回结果的 如果服务端一直在处理中 那么这个线程就会阻塞着

缺点：1. 线程阻塞浪费很多资源

           2. C10K问题：线程很多，服务器压力太大, 且没有服务器能承受10k的连接数

应用场景: 使用与连接数固定且较小的通信架构,程序简单易懂

代码示例：

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

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            handler(clientSocket);

            /*new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();*/
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}

//客户端代码
public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        socket.close();
    }
}

2. NIO: 同步非阻塞IO模型(多路复用)

    非阻塞的解释: 一个线程多路复用(通过linux的epoll基于事件响应机制来实现一个线程处理多个请求)

    使用场景：适用于连接数多且连接比较短的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间的通讯,编程比较复杂(后面会讲到netty解决这个问题)

   NIO非阻塞代码示例：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class NioServer {

    // 保存客户端连接
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

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

        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞
            // NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) { // 如果有客户端进行连接
                System.out.println("连接成功");
                // 设置SocketChannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 保存客户端连接在List中
                channelList.add(socketChannel);
            }
            // 遍历连接进行数据读取
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                // 非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);
                // 如果有数据，把数据打印出来
                if (len > 0) {
                    System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) { // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

总结：上面的示例还没有用到selector多路复用器 只是一个非阻塞IO的操作,当有10000个连接的时候，下面的while循环会循环10000次，而这时假如只有1000个连接是有数据交互的，那么9000个连接实际上并没有断开，也需要循环。所有为了解决无用连接被循环造成大量资源浪费的问题，我们需要引入多路复用器。 

NIO多路复用器代码示例：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorServer {

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

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 打开Selector处理Channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            // 遍历SelectionKey对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) {  // 如果是OP_READ事件，则进行读取和打印
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据，把数据打印出来
                    if (len > 0) {
                        System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

NIO的三大核心组件：Channel-通道，Buffer-缓冲区，Selector-多路复用器

   1）channel：类似于流，每一个channel对应一个buffer缓冲区, buffer底层就是一个数组

   2）channel会注册到selector上，由selector根据channel读写事件的发生将其交由给某个空闲的线程处理

   3）NIO的Buffer 和 channel 都是既可以读 又可以写的

图示：

图解：NIO底层在JDK1.4的时候用的Linux底层的select() 和 poll() 函数进行实现的 跟非阻塞的那个示例代码一样，每次都要遍历所有的channel

           后面JDK1.4之后使用epoll()函数基于事件监听机制实现的,只会对有事件的channel进行遍历并处理事件,多路复用器selector会会将我们channel的事件放到rdlist中,然后从rdlist中取出事件进行处理

 

NIioSelectorServer 三个核心的方法：

Selector.open() //创建多路复用器 

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ) //将channel注册到多路复用器上 

selector.select() //阻塞等待需要处理的事件发生

Selector.open() ：创建多路复用器 Hotspot会根据不同的操作系统，调用调用不同系统底层创建epoll实例的函数，例如linux调用epoll_create()函数返回的是一个epfd文件描述符(linux内核为了高效管理已打开文件,为其创建的索引，就叫文件描述符，通过该索引可以找到对应的文件)

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)：将channel及其对应的事件注册到selector

selector.select(): 将创建的epfd放入到内部的集合中，然后调用linux底层函数epoll_ctl()进行事件绑定(真正的事件注册),然后调用内核函数epoll_wait() 进行阻塞处理等待队列，如果rdlist队列中有事件，那么就直接返回，如果没有事件，就阻塞进程

总结： NIO整个调用流程就是调用操作系统内核函数来创建Socket,获取到Socket的文件描述符，然后创建一个Selector,对应操作系统中的Epoll文件描述符，将Socket文件描述符绑定到Epoll文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用一个线程，并且不需要太多的遍历，将事件处理交给了操作系统内核的中断事件（socket接收到数据后，往rdlist中添加socket文件符的操作就是中断程序做的）

 

3.Epoll函数详解

    上面在讲解selector核心的三个方法的时候，其实就是对应着操作系统内核底层的epoll的三个函数：

int epoll_create(int size);

创建一个epoll示例，返回一个非负数的文件描述符，参数size可忽略，已经弃用

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数：epfd表示epoll示例的文件描述符

op表示：操作类型，主要有以下几种

EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中，并关联事件event；
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中移除fd，并且忽略掉绑定的event，这时event可以为null；
参数event是一个结构体

struct epoll_event {
	    __uint32_t   events;      /* Epoll events */
	    epoll_data_t data;        /* User data variable */
	};
	
	typedef union epoll_data {
	    void        *ptr;
	    int          fd;
	    __uint32_t   u32;
	    __uint64_t   u64;
	} epoll_data_t;

events有很多可选值，这里只举例最常见的几个：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符是可读的；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符是可写的；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生了错误；
成功则返回0，失败返回-1

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

等待文件描述符epfd上面的事件,events表示调用者所有可用事件的集合,maxevents表示最多等到多少个事件就返回,timeout表示超时时间

4.Redis线程模型

    Redis就是典型的基于epoll的NIO线程模型(nginx也是)，epoll实例收集所有事件(连接与读写事件)，由一个服务端线程连续处理所有事件的命令

    Redis底层关于epoll的源码实现在redis的src源码目录的ae_epoll.c文件里,感兴趣的可以看看

5. AIO: 异步非阻塞IO模型 (NIO 2.0)

应用场景：AIO方式适用于连接数目多且连接比较长得架构,jdk1.7后开始支持，但是由于编程难度大，linux底层对aio的支持不够完美，所以很少用AIO直接编程我们的系统 而是使用Netty这种优秀的中间件完成，Netty底层是对NIO的封装

AIO示例代码：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

public class AIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {
                    System.out.println("2--"+Thread.currentThread().getName());
                    // 再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("1--"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

public class AIOClient {

    public static void main(String... args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

为什么Netty底层使用NIO而不使用AIO?

AIO底层也是Epoll,但是Epoll在异步上做的不是很好，而且经过了JDK封装，不容易深度优化，所以有了Netty,Netty是异步非阻塞IO框架，它底层对NIO做了很多异步的操作。

 

为了方便更好的理解 同步与异步 阻塞与非阻塞的概念 可以看下面段子：

老张爱喝茶，废话不说，煮开水。

出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。

1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）

老张觉得自己有点傻

2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）

老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。

3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）

老张觉得这样傻等意义不大

4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）

老张觉得自己聪明了。

所谓同步异步，只是对于水壶而言。

普通水壶，同步；响水壶，异步。

虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。

同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。

所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。

立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。

总结： 同步异步相当于接受消息方而言，接收方能在处理完事件后通知到请求方，那么就是异步，如果需要请求方不断轮询查看结果 那么就是同步

            阻塞非阻塞相当于请求方而言，我只能等待一个请求结束后才能干其他事 这就是阻塞 如果我发送了一个请求后立马能做其他事 这就是非阻塞