分布式理论、架构设计学习:BIO、NIO、AIO

本文详细介绍了Java中的BIO、NIO和AIO的区别与应用场景。从同步异步、阻塞非阻塞的概念出发,通过实例解释了三种IO模型的工作原理。BIO是传统的同步阻塞IO,每个连接需要一个独立的线程处理。NIO引入了通道和选择器,实现了非阻塞IO,通过单一线程轮询多个连接的IO事件。AIO(异步IO)则在数据准备完成时才通知应用程序,实现真正的异步操作。

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1. 同步和异步

同步(synchronize)、异步(asychronize)是指应用程序和内核的交互而言的

  • 同步
    指用户进程触发IO操作等待或者轮训的方式查看IO操作是否就绪。

同步举例:银行取钱,我自己去取钱,取钱的过程中等待

  • 异步
    当一个异步进程调用发出之后,调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出之后,被调用者通过状态、通知来通知调用者,或者通过回调函数来处理这个调用。

说明: 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,OS需要支持异步IO操作

异步举例:我请朋友帮我取钱,他取到钱后返回给我(委托给操作系统OS,OS需要支持IO异步API)

2. 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程访问数据的时候,根据IO操作的就绪状态来采取不同的方式

简单点说就是一种读写操作方法的实现方式。 阻塞方式下读取和写入将一直等待, 而非阻塞方式下,读取和写入方法会理解返回一个状态值

  • 阻塞
    ATM机排队取款,你只能等待排队取款(使用阻塞IO的时候,Java调用会一直阻塞到读写完成才返回。)

  • 非阻塞
    柜台取款,取个号,然后坐在椅子上做其他事,等广播通知,没到你的号你就不能去,但你可以不断的问大堂经理排到了没有。(使用非阻塞IO时,如果不能读写Java调用会马上返回,当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写,不断循环直到读写完成)

老张煮开水。 老张,水壶两把(普通水壶,简称水壶;会响的水壶,简称响水壶)。

  1. 老张把水壶放到火上,站立着等水开。(同步阻塞)
  2. 老张把水壶放到火上,去客厅看电视,时不时去厨房看看水开没有。(同步非阻塞)
  3. 老张把响水壶放到火上,立等水开。(异步阻塞)
  4. 老张把响水壶放到火上,去客厅看电视,水壶响之前不再去看它了,响了再去拿壶。(异步非阻塞)

3. BIO

同步阻塞IO。B代表blocking
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。

适用场景:Java1.4之前唯一的选择,简单易用但资源开销太高
在这里插入图片描述

  • 服务端代码
package com.study;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class IOServer {
   
   
    public static void main(String[] args) throws IOException {
   
   
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
        while (true){
   
   
            final Socket socket = serverSocket.accept(); // 同步阻塞
            new Thread(() -> {
   
   
                byte[] bytes = new byte[1024];
                try {
   
   
                    int len = socket.getInputStream().read(bytes); // 同步阻塞
                    System.out.println(new String(bytes,0,len));
                    socket.getOutputStream().write(bytes,0,len);
                    socket.getOutputStream().flush();
                } catch (IOException e) {
   
   
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
  • 客户端代码
package com.study;

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;

public class IOClient {
   
   

    public static void main(String[] args) throws IOException {
   
   
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9999);
        socket.getOutputStream().write("hello".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("server send back data =====");
        byte[] bytes 
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