JAVA中IO流模型BIO,NIO,AIO

一。BIO,NIO,AIO简介

要弄懂这些io模型必须弄懂以下这些概念
同步:的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪比如火车站出站口等待来深圳过年的父母只有接到父母才能做其他事情等待过程不停的电话父母火车是否到站是否出站直到接到父母

异步:指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知（异步的特点就是通知）告诉朋友，朋友去接父母自己忙自己的朋友接到后电话通知。（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS）

阻塞:所谓阻塞方式的意思是指, 当试图对该文件描述符进行读写时, 如果当时没有东西可读,或者暂时不可写, 程序就进入等待状态,
直到有东西可读或者可写为止
非阻塞:非阻塞状态下, 如果没有东西可读, 或者不可写, 读写函数马上返回, 而不会等待，

读懂上面几个概念后就可以引入io的模型了

同步阻塞IO（JAVA BIO）：
同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

同步非阻塞IO(Java NIO) ：同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。用户进程也需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问。

（Java AIO(NIO.2)）异步非阻塞IO:
在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。

二。BIO，NIO，AIO编程实现

模拟场景服务器接受到消息后发回一个消息

1.BIO编程实现

BIO是同步阻塞IO流每个获取的连接都需要创建一个新的处理线程

服务器端：

package cn.et;

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

/**
 * 同步阻塞模型BIO
 * 使用byte[]数组缓冲数据
 * @author jiaozi
 *
 */
public class BIOServer {

	private static ServerSocket serverSocket=null;
	private static int bufferSize=4096;
	private static byte[] readBuffer=new byte[bufferSize];

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		serverSocket = new ServerSocket(8899);
		//这里表示同步 必須等待接受到一个Socket才能执行后面的代码
		while(true) {
			//獲取一個客戶端連接
			Socket accept = serverSocket.accept();
			//必須為一個客戶端連接創建一個處理線程
			DThread th=new DThread(accept);
			th.start();
		}
		
	}
	/**
	 * 處理每個連接的線程 主要讀和寫操作
	 * @author jiaozi
	 */
	static class DThread extends Thread{
		Socket accept;
		public DThread(Socket accept) {
			this.accept = accept;
		}

		public void run() {
			//獲取輸入流
			try {
				InputStream inputStream = this.accept.getInputStream();
				OutputStream outputStream=this.accept.getOutputStream();
				//沒有數據讀到 會阻塞直到有數據
				int readCount = inputStream.read(readBuffer);
				String readText=new String(readBuffer,0,readCount);
				System.out.println("讀取的數據為："+readText);
				outputStream.write("hello client".getBytes());
				outputStream.flush();
				accept.close();
				
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

客户端：

package cn.et;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
/**
 * BIO的客戶端
 * @author jiaozi
 */
public class BIOClient {
	private static int port=8899;
	private static int bufferSize=4096;
	private static byte[] readBuffer=new byte[bufferSize];
	public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
		Socket socket=new Socket("localhost",port);
		OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
		InputStream inputStream = socket.getInputStream();
		outputStream.write("hello server".getBytes());
		outputStream.flush();
		int readCount = inputStream.read(readBuffer);
		String readText=new String(readBuffer,0,readCount);
		System.out.println("讀取的數據為："+readText);
	}
}

演示结果启动BIOServer 发现BIOServer处于同步阻塞状态启动客户端

服务端接受到消息 ：讀取的數據為：hello server
客户端接受到消息  : 讀取的數據為：hello client

2.NIO编程实现
Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新I/O”，也可以说成非阻塞式I/O。
下面是java NIO的工作原理：
由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。
事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。

线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

NIO的原理
服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止

核心对象
Buffer和Channel是标准NIO中的核心对象
Buffer：是一个对象，它包含一些要写入或读出的数据。在NIO中，数据是放入buffer对象的，而在IO中，数据是直接写入或者读到Stream对象的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作，而必须通过 Buffer 来进行，即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的。
使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤：
写入数据到 Buffer；
调用 flip() 方法；
从 Buffer 中读取数据；
调用 clear() 方法或者 compact() 方法。
Channel：是一个对象，可以通过它读取和写入数据。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比还有一些不同：
Channel是双向的，既可以读又可以写，而流是单向的
Channel可以进行异步的读写
对Channel的读写必须通过buffer对象
在Java NIO中Channel主要有如下几种类型：
FileChannel：从文件读取数据的
DatagramChannel：读写UDP网络协议数据
SocketChannel：读写TCP网络协议数据
ServerSocketChannel：可以监听TCP连接

服务器端:

package cn.et;

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;

/**
 * NIO 同步非阻塞 該種方式 阻塞多路複用器 Selector 使用轮询方式查找是否存在io事件
 *   IO事件分为  OP_WRITE[缓冲区可以写入],OP_READ【缓存区有数据可读】,OP_CONNECT【客户端连接】,OP_ACCEPT[服务端接受到一个连接]
 * @author jiaozi
 */
public class NIOServer {
	
	private static ServerSocketChannel serverSocketChannel=null;
	private static int bufferSize=4096;
	private static ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static Selector selector;
	
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//打开通道
		serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
		//设置为非阻塞
		serverSocketChannel.configureBlocking(false);
		serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8899));
		selector=Selector.open();
		//通道注册到多路复用器 selector中 selector监听事件 接受客户端请求事件
		serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		listen();
	}
	public static void listen() throws IOException {
		//存在注册的事件返回时 方法返回 否则一直阻塞 应该轮询
		while(true) {
			selector.select();
			//select到了后面 说明存在事件 获取事件 并轮询
			Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
			Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
			while(iterator.hasNext()) {
				SelectionKey selectionKey = iterator.next();
				iterator.remove();
				//有客户端连接事件
				if(selectionKey.isAcceptable()) {
					  ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();  
	                  // 获得和客户端连接的通道  
	                  SocketChannel channel = server.accept(); 
	                  //这里要配置一下 否则报错
	                  channel.configureBlocking(false);
	                  //给接入的客户端注册读的事件
	                  channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
	                  writeBuffer.put("hello client".getBytes());
	                  writeBuffer.flip();
	                  //写入测试数据
	                  channel.write(writeBuffer);
				}
				//缓冲区有数据可读事件
				if(selectionKey.isReadable()) {
					SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();  
					int readCount=channel.read(readBuffer);
					String readText=new String(readBuffer.array(),0,readCount);
					System.out.println("讀取的數據為："+readText);
					readBuffer.clear();
				}
			}
		}
	}
}

客户端：

package cn.et;

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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class NIOClient {
	private static SocketChannel socketChannel=null;
	private static int bufferSize=4096;
	private static ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static Selector selector;
	private static int port=8899;
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		socketChannel=SocketChannel.open();
		selector=Selector.open();
		socketChannel.configureBlocking(false);
		socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
		socketChannel.connect(new InetSocketAddress(port));
		connect();
	}
	public static void connect() throws IOException {
		// 轮询访问selector    
        while (true) {    
            // 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中,客户端的该方法不会阻塞，    
            //这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时，    
            //selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的    
            selector.select();    
            // 获得selector中选中的项的迭代器    
            Iterator<SelectionKey> ite = selector.selectedKeys().iterator();    
            while (ite.hasNext()) { 
            	SelectionKey selectionKey = ite.next();
            	ite.remove();
            	//如果是连接事件
            	if(selectionKey.isConnectable()) {
            		SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();    
            		//如果正在连接 等待完成连接
            		if(channel.isConnectionPending()) {
            			channel.finishConnect();
            		}
            		channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("hello server").getBytes()));    
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。    
                    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);   
            	}
            	if(selectionKey.isReadable()) {
            		SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();  
					int readCount=channel.read(readBuffer);
					String readText=new String(readBuffer.array(),0,readCount);
					System.out.println("讀取的數據為："+readText);
					readBuffer.clear();
            	}
            }
        }
	}

}

3.AIO编程实现

aio是实现了真正的异步非阻塞将所有的io将给操作系统处理当io事件触发时回调用户的Handler即可不再有nio1的轮询 linux下epol也是基于aio aio是在jdk1.7开始实现的

服务端：

package cn.et;

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 {
	private static AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel=null;
	private static int bufferSize=4096;
	private static ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		serverSocketChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8899));
		serverSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>(){

			@Override
			public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
				try {
					
					//读的异步
					channel.read(readBuffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {

						@Override
						public void completed(Integer result, Object attachment) {
							String readText=new String(readBuffer.array(),0,result);
							System.out.println("讀取的數據為："+readText);
							readBuffer.clear();
						}

						@Override
						public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
							exc.printStackTrace();
							System.out.println("读取失败");
						}
						
					});
					writeBuffer.put("hello client".getBytes());
	                writeBuffer.flip();
	                //写入测试数据
	                channel.write(writeBuffer);
	                serverSocketChannel.accept(null, this);// 监听新的请求，递归调用。
				} catch (Exception e) {
					e.printStackTrace();
				} 
			}

			@Override
			public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
				System.out.println("出现异常："+exc);
				serverSocketChannel.accept(null, this);// 监听新的请求，递归调用。
			}
			
		});
		
				
		System.in.read();
	}

}

客户端：

package cn.et;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.channels.Selector;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;

public class AIOClient {
	private static AsynchronousSocketChannel socketChannel=null;
	private static int bufferSize=4096;
	private static ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(bufferSize);
	private static Selector selector;
	private static int port=8899;
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		socketChannel=AsynchronousSocketChannel.open();
		//这里一定要指定ip 就算是本机  也要使用localhost
		socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",port),null,new CompletionHandler<Void, Object>() {

			@Override
			public void completed(Void result, Object attachment) {
				try {
					//读的异步
					socketChannel.read(readBuffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                   
						@Override
						public void completed(Integer result, Object attachment) {
							String readText=new String(readBuffer.array(),0,result);
							System.out.println("讀取的數據為："+readText);
						}

						@Override
						public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
							exc.printStackTrace();
							System.out.println("读取失败");
						}
						
					});
					//写入数据到服务端
					writeBuffer.put("hello server".getBytes());
					writeBuffer.flip();
					//写入测试数据
					socketChannel.write(writeBuffer);
					
				} catch (Exception e) {
					e.printStackTrace();
				} 
			}

			@Override
			public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
				// TODO Auto-generated method stub
				
			}
		});
		
		
		System.in.read();
        
	}
}

posted @ 2018-03-07 14:56 饺子吃遍天阅读(348) 评论(0) 编辑收藏举报

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