千峰教育--Netty 再学习 1 网络模型概述（BIO、NIO、AIO）、BIO 逻辑实现及其局限性（单线程服务端、多线程服务端、线程池服务端）

news/2025/3/12 1:19:47/文章来源:https://www.cnblogs.com/spqin/p/18621874

课程介绍

1 网络模型概述

2 Channel 详解

3 Buffer 详解

4 Selector 详解

5 NIO综合案例-聊天室

6 AIO概念及实现

 

1 网络编程IO 模型介绍

1.1 BLockingIO

Blocking IO也称BIO，及同步阻塞IO。Java 的 io 包基于流模型实现，提供了FIle，FileInputStream，FileOutputStream等输入输出流的功能。Java io 包下提供的基于流操作，交互方式是同步且阻塞的方式，在输入输出流进行读写操作之前，线程一直阻塞。因此io 包中对流的操作容易造成性能的瓶颈。

同样，在java.net 包鞋提供的部分网络API，如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 等，进行网络通信时，用到的也是java。io下的流操作，也是同步阻塞IO。

1.2 Non Blocking IO 

Non Blocking IO 也称NIO，即同步非阻塞编程IO。Java 1.4中引入NIO框架，在java.nio 包中提供了Channer、Selector、Buffer 等抽象类，可以快速构建多路复用的IO程序，用于提供更接近操作系统底层高性能数据操作的方式。

1.3 Asynchronous IO

Asynchronous IO，即异步非阻塞IO。Java 7 提供了改进版的NIO，引入异步非阻塞的IO，由操作系统完成后，回调通知服务端启动现场去处理。

 

2 BIO 实现逻辑以及局限性

在BIO同步阻塞模式下，一个服务器可以开启多个线程来处理客户端的连接，但是一个处理线程只能对应一个客户端的连接。

如果大量客户端来连接服务器，服务端将开启大量的线程处理连接，  开启线程非常消耗资源，很容易达到性能瓶颈。

 2.1 案例 单线程服务端

服务端

package com.spqin.nio.newstudy.bio;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 单线程服务段*/
public class ServerSocketSingleThread {public static void main(String[] args) {try {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9090);while(true){System.out.println("阻塞等待客户端的连接");// accept 将一直阻塞直到客户端的连接到来Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("客户端已经连接了");//开始处理客户端的读写请求InputStream inputStream = socket.getInputStream();//用于接受客户端的数据byte[] data = new byte[1024];//读取到的数据长度int len = inputStream.read(data);// 把接收端到的数据转为字符串显示System.out.println("收到客户端发来的数据："+new String(data,0,len));OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();outputStream.write("收到连接，可以聊天了".getBytes("utf-8"));outputStream.flush();}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

连个客户端发起请求

客户端1

package com.spqin.nio.newstudy.bio;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author ChaoMing* @description 客户端* @date 2024-12-22 11:01*/
public class SocketClient {public static void main(String[] args) {// 连接服务System.out.println("连接服务端");try {Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9090);//获得输出流OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();System.out.println("睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景");TimeUnit.SECONDS.sleep(10);outputStream.write("张三 向客户端发起连接！".getBytes("utf-8"));outputStream.flush();InputStream inputStream = socket.getInputStream();byte[] data = new byte[1024];int len = inputStream.read(data);System.out.println("接收到服务端的相应数据："+new String (data,0,len));//关闭连接
            socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

客户端2

package com.spqin.nio.newstudy.bio;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author ChaoMing* @description 客户端* @date 2024-12-22 11:01*/
public class SocketClient2 {public static void main(String[] args) {// 连接服务System.out.println("连接服务端");try {Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9090);//获得输出流OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();TimeUnit.SECONDS.sleep(10);outputStream.write("李四 向客户端发起连接！".getBytes("utf-8"));outputStream.flush();InputStream inputStream = socket.getInputStream();byte[] data = new byte[1024];int len = inputStream.read(data);System.out.println("接收到服务端的相应数据："+new String (data,0,len));//关闭连接
            socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

运行调试

服务端打印消息：

阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了
收到客户端发来的数据：张三 向客户端发起连接！
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了
收到客户端发来的数据：李四 向客户端发起连接！
阻塞等待客户端的连接

客户端1打印消息：

连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了

客户端2打印消息：

连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了

可以看出这个服务端一次只能处理一个客户端的请求，请求处理完之前不能接受第二个客户端的请求。

说明服务端可以开启线程处理客户端的连接，但是一个线程只能处理一个客户端的来连接，不能并行处理两个客户端的连接。

要处理2个客户端连接必须另外开启1个线程。

 2.2 案例 多线程服务端

只需要改进服务端，让其支持多个客户端的连接（每个客户端开启一个子线程处理），客户端不需要改动

package com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** 多线程服务段*/
public class ServerSocketMultiThread {public static void main(String[] args) {try {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9090);while(true){System.out.println("阻塞等待客户端的连接");// accept 将一直阻塞直到客户端的连接到来Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接");new Thread(new ConnectHandler(socket),"客户端Socket 端口"+socket.getPort()).start();}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

客户连接处理器

package com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;/*** @author ChaoMing* @description 处理来自客户端的连接* @date 2024-12-22 11:29*/
public class ConnectHandler implements Runnable{private Socket socket;public ConnectHandler (Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {//开始处理客户端的读写请求InputStream inputStream = socket.getInputStream();//用于接受客户端的数据byte[] data = new byte[1024];//读取到的数据长度int len = inputStream.read(data);// 把接收端到的数据转为字符串显示System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程收到客户端发来的数据："+new String(data,0,len));OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();outputStream.write("收到连接，可以聊天了".getBytes("utf-8"));outputStream.flush();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

运行结果

服务端打印消息：

阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端Socket 端口54643线程收到客户端发来的数据：张三 向客户端发起连接！
客户端Socket 端口54646线程收到客户端发来的数据：李四 向客户端发起连接！

客户端信息不变，略。

 2.3 案例 线程池服务端

设计一个线程池，最大线程数为2，最大能持支 4个任务，任务时长设定为10s（让任务不能理解结束）,等第5个任务提交时，线程池默认的线程处理策略是拒绝提交。

服务端代码

package com.spqin.nio.newstudy.bio.threadpoolserver;import com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler;import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** 线程池服务端*/
public class ServerSocketThreadPool {public static void main(String[] args) {// 创建一个最大线程数为2的线程池，// 每个队列设置为2，则 最大能支持2 + 2  = 4个线程// 创建 10个客户端，每个客户端，睡眠 10秒，这样理论上再地5个任务提交时，线程池会采取默认的拒绝策略，ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 2,1, TimeUnit.MINUTES,new LinkedBlockingDeque<>(2),new ThreadFactory() {@Overridepublic Thread newThread(Runnable r) {Thread t = new Thread(r,"服务端线程城池-");if (t.isDaemon())t.setDaemon(false);if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);return t;}});try {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9090);while(true){System.out.println("阻塞等待客户端的连接");// accept 将一直阻塞直到客户端的连接到来Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接");try{//线程池拒绝异常threadPoolExecutor.execute(new ConnectHandler(socket));}catch (Exception e) {System.out.println("线程池异常："+e.getMessage());}}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

客户端代码

package com.spqin.nio.newstudy.bio.threadpoolserver;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author ChaoMing* @description 线程池客户端（由于服务端是线程池，所以要增加客户端连接数）* @date 2024-12-22 11:01*/
public class SocketClientThreadPool {static int num = 0;public static void main(String[] args) {//创建 10个客户端while (num < 10) {num++;//循环开启子线程徐连接客户端new Thread(()->{int no = num;// 连接服务System.out.println("连接服务端");try {Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9090);//获得输出流OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();System.out.println("睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景");TimeUnit.SECONDS.sleep(10);outputStream.write(("用户" + no + "向客户端发起连接！").getBytes("utf-8"));outputStream.flush();InputStream inputStream = socket.getInputStream();byte[] data = new byte[1024];int len = inputStream.read(data);System.out.println("接收到服务端的相应数据："+new String (data,0,len));//关闭连接
                    socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}).start();//延迟一下主线程的提交速度，让子线程尽快创建try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}
}

运行结果

服务端结果：

阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@24d46ca6 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@372f7a8d rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@2f92e0f4 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@28a418fc rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@5305068a rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
客户端已经连接了,开启子线程处理客户端的连接
线程池异常：Task com.spqin.nio.newstudy.bio.multithreadserver.ConnectHandler@1f32e575 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@4517d9a3[Running, pool size = 2, active threads = 2, queued tasks = 2, completed tasks = 0]
阻塞等待客户端的连接
服务端线程城池-线程收到客户端发来的数据：用户1向客户端发起连接！
服务端线程城池-线程收到客户端发来的数据：用户2向客户端发起连接！
服务端线程城池-线程收到客户端发来的数据：用户3向客户端发起连接！
服务端线程城池-线程收到客户端发来的数据：用户4向客户端发起连接！

客户端打印结果

连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
连接服务端
睡眠一段时间，模拟客户端实际发消息的场景
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了
接收到服务端的相应数据：收到连接，可以聊天了

可以看到在第五个客户端连接时，线程池抛出异常，服务端没有处理对应的一场，服务端挂掉了，不再向线程池提交任务，已经提交到线程池的任务继续执行。

2.4 BIO 局限总结

在上面的例子中可以看出，IO代码里Read操作是阻塞操作，如果连接读数据时数据没有准备好，会导致线程阻塞，浪费线程资源。

如果采用多线程处理客户端请求，如果客户端请求过多，将会导致服务端不断创建出新的线程，对服务器造成过大的压力。

采用线程池实现服务端，是对多线程资源浪费的一种优化，解决不了线程阻塞的问题，如果请求过多会出现提交任务被拒绝（即任务队列满了，不支持新任务提交了）。

BIO的使用和维护相对 比较简单，适用于较小且稳定的框架

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