NIO 非阻塞式IO

NIO

Java NIO 基本介绍

  1. Java NIO 全称 Java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。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 NewIO），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 java.io 包中的很多类进行改写。
  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，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，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时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以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的。假设有 10000 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。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个。
  7. HTTP 2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP 1.1 大了好几个数量级。

NIO 三大核心原理示意图

一张图描述 NIO 的 Selector、Channel 和 Buffer 的关系。

  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 是由事件决定的，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是不同的，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 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。在这里插入图片描述

NIO 和 BIO 的比较

  1. BIO 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据，块 I/O 的效率比流 I/O 高很多。

  2. BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的。

  3. BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel（通道）和 Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

  4. Buffer和Channel之间的数据流向是双向的

缓冲区（Buffer）

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，

通道（Channel）

NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

  • 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
  • 通道可以实现异步读写数据
  • 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:
  1. 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（Channel）是双向的，可以读操作，也可以写操作。
  2. Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
  3. 常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket、SocketChannel 类似 Socket】
  4. FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

NIO 还支持通过多个 Buffer（即 Buffer数组）完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering【举例说明】

/*** @Author：jiangdw7* @date: 2023/8/9 10:04*/
public class ScatteringAndGatheringTest {public static void main(String[] args) throws Exception {//使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 网络ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);//绑定端口到 socket，并启动serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);//创建 buffer 数组ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);//等客户端连接 (telnet)SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();int messageLength = 8; //假定从客户端接收 8 个字节//循环的读取while (true) {int byteRead = 0;while (byteRead < messageLength) {long l = socketChannel.read(byteBuffers);byteRead += l; //累计读取的字节数System.out.println("byteRead = " + byteRead);//使用流打印,看看当前的这个 buffer 的 position 和 limitArrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "position = " + buffer.position() + ", limit = " + buffer.limit()).forEach(System.out::println);}//将所有的 buffer 进行 flipArrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip());//将数据读出显示到客户端long byteWirte = 0;while (byteWirte < messageLength) {long l = socketChannel.write(byteBuffers);byteWirte += l;}//将所有的buffer进行clearArrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> {buffer.clear();});System.out.println("byteRead = " + byteRead + ", byteWrite = " + byteWirte + ", messagelength = " + messageLength);}}
}

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（注意：多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector），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。

注意事项

  1. NIO 中的 ServerSocketChannel 功能类似 ServerSocket、SocketChannel 功能类似 Socket。
  2. Selector 相关方法说明
    • selector.select(); //阻塞
    • selector.select(1000); //阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回
    • selector.wakeup(); //唤醒 selector
    • selector.selectNow(); //不阻塞，立马返还
public class NIOClient {private static Selector selector;public static void main(String[] args) throws Exception {selector = Selector.open();SocketChannel sc = SocketChannel.open();sc.configureBlocking(false);sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8081));sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(1024);bf.put("Hi,server,i'm client".getBytes());if (sc.finishConnect()) {bf.flip();while (bf.hasRemaining()) {sc.write(bf);}while (sc.isConnected()) {selector.select();Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key = it.next();if (key.isReadable()) {ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();bf.clear();SocketChannel othersc = (SocketChannel) key.channel();while (othersc.read(bf) > 0) {bf.flip();while (bf.hasRemaining()) {bos.write(bf.get());}bf.clear();}System.out.println("服务端返回的数据：" + bos.toString());Thread.sleep(5000);sc.close();System.out.println("客户端关闭...");}}selector.selectedKeys().clear();}}}
}

public class NIOServer {private static Selector selector;private static ServerSocketChannel serverSocketChannel;private static ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(1024);public static void main(String[] args) throws Exception {init();while (true) {int select = selector.select(10000);if (select == 0) {System.out.println("等待连接10秒...");continue;}Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key = it.next();if (key.isAcceptable()) {System.out.println("连接准备就绪");ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();System.out.println("等待客户端连接中........................");SocketChannel channel = server.accept();channel.configureBlocking(false);channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {System.out.println("读准备就绪，开始读.......................");SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();System.out.println("客户端的数据如下：");int readLen = 0;bf.clear();StringBuffer sb = new StringBuffer();while ((readLen = channel.read(bf)) > 0) {bf.flip();byte[] temp = new byte[readLen];bf.get(temp, 0, readLen);sb.append(new String(temp));bf.clear();}if (-1 == readLen) {System.out.println(channel.hashCode()+"号客户端关闭。");channel.close();}else {channel.write(ByteBuffer.wrap(("客户端，你传过来的数据是：" + sb.toString()).getBytes()));System.out.println(sb.toString()+"132123");}}it.remove();}}}private static void init() throws Exception {selector = Selector.open();serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.configureBlocking(false);serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8081));serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);}
}

参考连接

https://www.cnblogs.com/xdouby/p/8942083.html

https://www.zhihu.com/question/22524908

https://blog.csdn.net/ArtAndLife/article/details/121001656

AIO

  1. JDK7 引入了 AsynchronousI/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor 和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理

  2. AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

  3. 目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于 NIO，而不是 AIO，因此我们就不详解 AIO 了，有兴趣的同学可以参考《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》

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