java架构之路-（netty专题）初步认识BIO、NIO、AIO
本次我们主要来说一下我们的IO阻塞模型，只是不多，但是一定要理解，对于后面理解netty很重要的
IO模型精讲
IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java共支持3种网络编程IO模式：BIO，NIO，AIO。
BIO
BIO(Blocking IO) 同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程。也是我们熟悉的同步阻塞模型，先别管那个同步的概念，我们先来看一下什么是阻塞，简单来一段代码。
服务端：
package com.xiaocai.bio; 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 socket = serverSocket.accept(); System.out.println("有客户端连接了。。"); handler(socket); } } private static void handler(Socket socket) throws IOException { System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); 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 = socket.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)); System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); } socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes()); socket.getOutputStream().flush(); } }
客户端
package com.xiaocai.bio; import java.io.IOException; import java.net.Socket; public class SocketClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 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(); } }
这个就是一个简单的BIO服务端代码，就是要准备接受线程访问的代码段。这一个单线程版本什么意思呢？
我们先开启一个端口为9000的socket服务，然后运行Socket socket = serverSocket.accept();意思就是等待线程的出现，我们来接收客户端的请求，这个方法时阻塞的，也是只有在阻塞状态才可以接收到我们的请求。当有请求进来时，运行handler(socket);方法，中间是打印线程ID的方法不解释，int read = socket.getInputStream().read(bytes);准备读取我们的客户端发送数据。read和write可能会混淆，我画个图来说一下。
我们也可以看到我们的客户端也是先拿到socket连接（Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9000)），然后要往服务端写入数据（socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());）以byte字节形式写入。这时我们的服务端等待read我们的客户端weite的数据，会进入阻塞状态，如果我们的客户端迟迟不写数据，我们的客户端一直是阻塞状态，也就无法接收到新的请求，因为阻塞了，没法回到我们的Socket socket = serverSocket.accept();去等待客户端请求，只要在serverSocket.accept阻塞时才可以接收新的请求。于是我们采取了多线程的方式来解决这个问题，我们来看一下代码。
package com.xiaocai.bio; 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 socket = serverSocket.accept(); System.out.println("有客户端连接了。。"); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { handler(socket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }).start(); } } private static void handler(Socket socket) throws IOException { System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); 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 = socket.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)); System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); } socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes()); socket.getOutputStream().flush(); } }
我们这时每次有客户端来新的请求时，我们就会开启一个线程来处理这个请求，及时你的客户端没有及时的write数据，虽然我们的服务端read进行了阻塞，也只是阻塞了你自己的线程，不会造成其它请求无法接收到。
这样的处理方式貌似好了很多很多，其实不然，想一个实例，我们的看小妹直播时，一句欢迎榜一大哥，弹幕很多，加入一次性来了100弹幕还好，我们开启100个线程来处理，如果一起来了十万弹幕呢？难道你要开启十万个线程来处理这些弹幕嘛？很显然BIO还是有弊端的，BIO还是有优点的（代码少，不容易出错）。
NIO
NIO(Non Blocking IO) 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理。 可能概念太抽象了，我来举个例子吧，现在有两个小区都有很多的房子出租，BIO小区和NIO小区，都有一个门卫，BIO小区，来了一个租客，门卫大爷就拿着钥匙，带这个租客去看房子了，后面来的租客都暂时无法看房子了，尴尬...想同时多人看房子，必须增加门卫大爷的数量，而我们的NIO小区就很聪明，还是一个门卫大妈，来了一个租客要看房子，门卫大妈，给了那个租客一把钥匙，并且告诉他哪房间是空的，你自己进去看吧，及时这个租客看房子慢，耽误了很多时间也不怕了，因为门卫大妈一直在门卫室，即使又来了新的租客，门卫大妈也是如此，只给钥匙和空房间地址就可以了。这个例子反正我记得很清楚，也觉得很贴切，这里提到了一个钥匙的概念，一会告诉你们是做什么的，我们先看一下代码。
服务端
package com.xiaocai.nio; 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; public class NIOServer { //public static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10); public static void main(String[] args) throws IOException { // 创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道.并设置为非阻塞方式 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); //必须配置为非阻塞才能往selector上注册，否则会报错，selector模式本身就是非阻塞模式 ssc.configureBlocking(false); ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000)); // 创建一个选择器selector 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 ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { System.out.println("等待事件发生。。"); // 轮询监听channel里的key，select是阻塞的，accept()也是阻塞的 int select = selector.select(); System.out.println("有事件发生了。。"); // 有客户端请求，被轮询监听到 Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); //删除本次已处理的key，防止下次select重复处理 it.remove(); handle(key); } } } private static void handle(SelectionKey key) throws IOException { if (key.isAcceptable()) { System.out.println("有客户端连接事件发生了。。"); ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); //NIO非阻塞体现：此处accept方法是阻塞的，但是这里因为是发生了连接事件，所以这个方法会马上执行完，不会阻塞 //处理完连接请求不会继续等待客户端的数据发送 SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); //通过Selector监听Channel时对读事件感兴趣 sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { System.out.println("有客户端数据可读事件发生了。。"); SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); //NIO非阻塞体现:首先read方法不会阻塞，其次这种事件响应模型，当调用到read方法时肯定是发生了客户端发送数据的事件 int len = sc.read(buffer); if (len != -1) { System.out.println("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len)); } ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()); sc.write(bufferToWrite); key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); } else if (key.isWritable()) { SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); System.out.println("write事件"); // NIO事件触发是水平触发 // 使用Java的NIO编程的时候，在没有数据可以往外写的时候要取消写事件， // 在有数据往外写的时候再注册写事件 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //sc.close(); } } }
客户端
package com.xiaocai.nio; 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 { //通道管理器 private Selector selector; /** * 启动客户端测试 * * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { NioClient client = new NioClient(); client.initClient("127.0.0.1", 9000); client.connect(); } /** * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 * * @param ip 连接的服务器的ip * @param port 连接的服务器的端口号 * @throws IOException */ public void initClient(String ip, int port) throws IOException { // 获得一个Socket通道 SocketChannel channel = SocketChannel.open(); // 设置通道为非阻塞 channel.configureBlocking(false); // 获得一个通道管理器 this.selector = Selector.open(); // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调 //用channel.finishConnect() 才能完成连接 channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port)); //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。 channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); } /** * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理 * * @throws IOException */ public void connect() throws IOException { // 轮询访问selector while (true) { selector.select(); // 获得selector中选中的项的迭代器 Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) it.next(); // 删除已选的key,以防重复处理 it.remove(); // 连接事件发生 if (key.isConnectable()) { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 如果正在连接，则完成连接 if (channel.isConnectionPending()) { channel.finishConnect(); } // 设置成非阻塞 channel.configureBlocking(false); //在这里可以给服务端发送信息哦 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()); channel.write(buffer); //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(this.selector, SelectionKey.OP_READ); // 获得了可读的事件 } else if (key.isReadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取服务端发来的信息 的事件 * * @param key * @throws IOException */ public void read(SelectionKey key) throws IOException { //和服务端的read方法一样 // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道 SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 创建读取的缓冲区 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); int len = channel.read(buffer); if (len != -1) { System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len)); } } }
代码看到了很多很多，我来解释一下大概什么意思吧，这个NIO超级重要后面的netty就是基于这个写的，一定要搞懂，首先我们创建了一个ServerSocketChannel和一个选择器selector，设置为非阻塞的（固定写法，没有为什么），将我们的 selector绑定到我们的ServerSocketChannel上，然后运行selector.select();进入阻塞状态，别担心，这个阻塞没影响，为我们提供了接收客户端的请求，你没有请求，我阻塞着，不会耽误你们什么的。
回到我们的客户端，还是差不多的样子，拿到我们的NioClient开始连接我们的服务端，这个时候，我们的服务端接收到了我们的客户端请求，阻塞状态的selector.select()继续运行，并且给予了一个SelectionKey（Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator()）也就是我们刚才的小例子中提到的钥匙，key=钥匙，还算是靠谱吧~！开始运行我们的handle方法，有个if else，这个是说，你是第一次请求要建立通道，还是要写数据，还是要读取数据，记住啊，读写都是相对的，自己多琢磨几次就可以转过圈来了，就是我上面画图说的read和write。拿我们的建立通道来说，通过我们的钥匙key你就可以得到ServerSocketChannel，然后进行设置下次可能会发生的读写事件，然后看我们的读事件，我们看到了int len = sc.read(buffer)这个读在我们的BIO中是阻塞的，而我们的NIO这个方法不是阻塞的，这也就体现出来了我们的BIO同步阻塞和NIO同步非阻塞，阻塞和非阻塞的区别也就说完了。画个图，我们来看一下我们的NIO模型。
NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(选择器)
这里我们的Buffer没有去说，到netty会说的， Channel(通道)， Buffer(缓冲区)都是双向的，现在回过头来想想我举的小例子，selector门卫大妈，SelectionKey钥匙。对于NIO有了一些理解了吧，NIO看着很棒的，但是你有想过写上述代码的痛苦吗？
AIO
AIO(NIO 2.0) 异步非阻塞， 由操作系统完成后回调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。其实AIO就是对于NIO的二次封装，要不怎么叫做NIO2.0呢，我们来简单看一下代码。
服务端：
package com.xiaocai.aio; 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 { // 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) { 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(); } }); Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE); } }
客户端：
package com.xiaocai.aio; 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)); } } }
阻塞非阻塞都明白了，这里来解释一下同步，我们看到我们的AIO在serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {}直接开启了线程，也就是说accept直接以后，我不再需要考虑阻塞情况，可以继续运行下面的代码了，也就是我们说到的异步执行，内部还是我们的NIO，不要觉得AIO多么的6B，内部就是封装了我们的NIO，性能和NIO其实差不多的，可能有些时候还不如NIO（未实测）。
遗漏一个知识点，NIO的多路复用器是如何工作的，在我们的JDK1.5以前的，多路复用器是数组和链表的方式来遍历的，到了我们的JDK1.5采用hash来回调的。
总结：
我们这次主要说了BIO、NIO、AIO三个网络编程IO模式，最重要的就是我们的NIO，一张图来总结一下三个IO的差别吧。
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