Java中BIO，NIO，AIO总结

2022-11-22 09:18:36

Java中BIO，NIO，AIO总结

三种IO模式适用场景

1.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，并发有局限性，JDK1.4以前是唯一的选择，好处是编码实现方式简单，且也容易理解。2.NIO方式适用于连接数目多且连接比较短的架构，比如聊天服务器，弹幕系统等，相比BIO编码较复杂，JDK1.4以后开始支持。3.AIO方式适用于连接数据多且连接较长的场景，比如相册服务器等，编程较复杂，JDK1.7才开始支持。目前好像并未得到广泛使用。

BIO(blocking I/O) 基本介绍

Java BIO是传统的Java io编程，相关的类和接口在http://java.io包中

Java BIO：同步阻塞，一个连接为一个线程，连接一个客户端就需要启动一个线程进行处理，如果连接未断开且未做任何事，会造成不必要的开销。可以通过线程池优化。

Java BIO：适用于连接数目较小且相对固定的架构，对服务器的要求比较高，对并发有局限性。JDK1.4以前唯一的选择，简单易理解。

BIO的原理示意图


Java中BIO，NIO，AIO总结


流程

1.服务器启动ServerSoket。2.客户端启动Socket与服务器通信，默认情况下服务器需要对每个客户端建立一个线程与之通信。3.客户端发出请求与服务器通信。4.如果请求成功，客户端会等待请求结束后继续执行。

Java BIO应用实例

实例要求：

1.使用NIO编写服务端，监听8888端口号，当有客户端连接时，启动一个线程与之通信。2.使用线程池改进，可以连接多个客户端。

服务端

package com.crazy.io.bio;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;/*** @author shiyi* @version 1.0* @date 2020-7-7 23:48*/public class BIOServer {

   public static void main(String[] args) throws IOException {
       /**        * 1.创建一个线程池        * 如果有客户端连接了，就创建一个线程与之通信。        */
       ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

       // 创建ServerSocket       ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6668);

       System.out.println("服务器启动了");

       while (true) {
           // 监听，等待客户端连接           final Socket socket = serverSocket.accept();
           System.out.println("连接到了一个客户端");
           newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
               @Override
               public void run() {
                   // 可以和客户端通讯                   handler(socket);
               }
           });
       }
   }

   // 编写一个handler方法，与客户端通讯   public static void handler(Socket socket) {
       // 通过socket获取输入流       try {
           System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + "线程名字=" + Thread.currentThread().getName());
           InputStream inputStream = socket.getInputStream();
           byte[] bytes = new byte[1024];

           // 循环的读取客户端发送的数据           while (true) {
               System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + "线程名字=" + Thread.currentThread().getName());

               int read = inputStream.read(bytes);
               if (read != -1) {
                   // 输出客户端发送的数据                   System.out.println(new String(bytes, 0, read));
               } else {
                   break;
               }
           }
       } catch (Exception e) {
           e.printStackTrace();
       } finally {
           // 关闭和客户端的连接           try {
               socket.close();
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }}

客户端

package com.crazy.io.zerocopy;importjava.io.DataOutputStream;importjava.io.FileInputStream;importjava.io.InputStream;importjava.net.Socket;

 public class OldIOClient {
   public static void main(String[] args) throws Exception {
     Socket socket = new Socket("localhost", 6668);

     String fileName = "1.txt";
     InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);
     DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
     byte[] buffer = new byte[4096];
     long readCount;
     long total = 0;

     long startTime = System.currentTimeMillis();

     while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {
         total += readCount;
         dataOutputStream.write(buffer);
     }
     System.out.println("发送总字节数： " + total + ", 耗时： " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
     dataOutputStream.close();
     socket.close();
     inputStream.close();
 }}

有小伙伴说，我就只想写服务器，不想写客户端，能不能测试。能，我都给你们准备好了。可以使用windows的命令行telnet命令来测试。

telnet 127.0.0.1 6668

连接成功后通过按 Ctrl+] 符号进入发送数据界面

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send HelloWorld

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查看服务端收到的消息

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完成了简单的以BIO实现的客户端与服务器之间的交互。

Java BIO问题

1.每个请求都需要创建独立的线程。

2.当并发量大时，需要创建大量线程，占用系统资源。

3.连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费

Java NIO( java non-blocking IO) 基本介绍

1.Java NIO全称（java non-blocking io），从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的。

2.NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 http://java.io 包中的很多类进行了改写。

3.NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器) 。

4.NIO是 面向缓冲区。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区中，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

5.Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用，就什么都不获取，会继续保持线程阻塞，直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。

6.通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作。假设有500个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。而BIO可能需要创建500个线程来处理数据。

7.NIO的并发请求要远远大于BIO。

Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图


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关系图说明

1.每个channel 都会对应一个Buffer。

2.Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)。

3.该图反应了有三个channel 注册到 该selector 程序。

4.程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念。

5.Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。

6.Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组。

7.数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是 NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换。

8.channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统通道就是双向的。

什么是缓冲区（Buffer）?

缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数

组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，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。Channel 提供从文件、网络读

取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

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Buffer常用方法解析


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常用的ByteBuffer是一个抽象类，继承Buffer，实现了Comparable接口。

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1. mark：标记。

2. Position：位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变改值，为下次读写作准备。

3. Limit：表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的。

4. Capacity：容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变。

ByteBuffer中常用的方法：

// 缓冲区创建相关apipublic static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)//创建直接缓冲区public static ByteBuffer allocate(int capacity)//设置缓冲区的初始容量public static ByteBuffer wrap(byte[] array)//把一个数组放到缓冲区中使用//构造初始化位置offset和上界length的缓冲区public static ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset, int length)//缓存区存取相关APIpublic abstract byte get( );//从当前位置position上get，get之后，position会自动+1public abstract byte get (int index);//从绝对位置getpublic abstract ByteBuffer put (byte b);//从当前位置上添加，put之后，position会自动+1public abstract ByteBuffer put (int index, byte b);//从绝对位置上put

通道基本介绍

1.通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写。

2.通道可以实现异步读写数据。

3.通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲。

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通道说明

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Channel是一个接口。

1.常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。

2.ServerSocketChanne 类似 ServerSocket 。

3.SocketChannel 类似 Socket。

应用实例

实例要求:

1.把1.txt中的文件读取到2.txt中。

public class NIOFileChannel03 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
      FileInputStream fileInputStream = newFileInputStream("1.txt");
      FileChannel inputStreamChannel =fileInputStream.getChannel();
      FileOutputStream fileOutputStream = newFileOutputStream("2.txt");
      FileChannel outputStreamChannel =fileOutputStream.getChannel();
      ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
      while (true) {
          byteBuffer.clear();
          int read = inputStreamChannel.read(byteBuffer);
          System.out.println("read =" + read);
          if (read == -1) {
              break;
          }
          byteBuffer.flip();
          outputStreamChannel.write(byteBuffer);
        }
        fileInputStream.close();
        inputStreamChannel.close();
        outputStreamChannel.close();
        fileOutputStream.close();
    }}

Buffer和Channel的注意事项

1.ByteBuffer 支持类型化的put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。

2.可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer。

3.NIO 还提供了 MappedByteBuffer， 可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改， 而如何同步到文件由NIO 来完成。

Selector(选择器)

1.Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)。2.Selector 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处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。3.只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，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。4.避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

Selector的示意图


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1.线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。

2.线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

3.由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。

4.一个 I/O 线程可以并发处理 多个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一个连接一个线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

5.客户端连接时，会通过ServerSocketChannel 得到 SocketChannel Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数。

6.将socketChannel注册到Selector上, register(Selector sel, int ops), 一个selector上可以注册多个SocketChannel。

7.注册后返回一个 SelectionKey, 会和该Selector 关联(集合) 进一步得到各个 SelectionKey。

8.在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel() 可以通过 得到的 channel , 完成业务处理。

 NIO 非阻塞网络编程原理图


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应用案例

1.编写一个 NIO 入门案例，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）。

服务器端

package com.crazy.io.nio.buffer;
   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;
   /**    * @author shiyi    * @version 1.0    * @date 2020-7-8 22:32    */
   public class NIOServer {

       public static void main(String[] args) throws IOException {
           // 创建serverSocketChannel           ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
           // 创建selector           Selector selector = Selector.open();
           // 绑定一个端口6666.在服务器监听           serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
           // 设置为非阻塞           serverSocketChannel.configureBlocking(false);
           // 把serverSocketChannel注册到selector 关心事件为OP_ACCEPT           serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

           // 循环等待客户端连接           while (true) {
               // 一秒没有事件发生，没有事件发生               if (selector.select(1000) == 0) {
                   System.out.println("等待了一秒，无连接");
                   continue;
               }
               // 如果返回的大于0,拿到selectionkey集合               // 如果大于0，表示已回去到关注的事件               // 通过selectionkeys反向获取通道               Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
               Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
               while (keyIterator.hasNext()) {
                   SelectionKey key = keyIterator.next();
                   // 根据key对应的通道发生的事件做相应处理                   // 有新的客户端来连接了                   if (key.isAcceptable()) {
                       SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                       // 将socketChannel设置为非阻塞                       socketChannel.configureBlocking(false);
                       System.out.println("客户端连接成功======");
                       // 注册到selector上, 关注事件为读，给socketChannel关联一个Buffer                       socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                   }
                   if (key.isReadable()) {
                       // 通过key 反向获取对应的channel                       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                       // 获取到管理的Buffer                       ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                       channel.read(buffer);
                       System.out.println("form客户端" + new String(buffer.array()));
                   }
                   keyIterator.remove();
               }
           }
       }
   }

客户端

package com.crazy.io.nio.buffer;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SocketChannel;/** * @author shiyi * @version 1.0 * @date 2020-7-8 23:00 */public class NIOClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 等到通道        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 设置非阻塞        socketChannel.configureBlocking(false);
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        // 连接服务器        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("没有连接上，可以做其它事情");
            }
        }
        // 连接成功        String hello = "失忆老幺";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes());
        // 发送数据,将buffer数据写到channel        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();
    }}

AIO

1.目前 AIO 还没有广泛应用。实际我也不懂。

总结

Java中BIO，NIO，AIO总结


原作者：失忆老幺
原文链接：BIO，NIO，AIO_失忆老幺-CSDN博客
原出处：CSDN博客
侵删

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