Socket 之 BIO、NIO、Netty 简单实现

一、概念

(1)、Socket：套接字（Socket）是通信的基石，是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元，包含进行网络通信必须的五种信息：

• 连接使用的协议
• 本地主机的IP地址
• 本地进程的协议端口
• 远地主机的IP地址
• 远地进程的协议端口

多个 TCP 连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP 协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，计算机操作系统为应用程序与 TCP/IP 协议交互提供了 套接字（Socket）接口。应用层可以和传输层通过Socket 接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

建立 Socket 连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为 ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为 ServerSocket。

套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

Socket 可以支持不同的传输层协议（TCP/UDP），当使用 TCP 协议进行连接时，该 Socket 连接就是一个 TCP 连接， UDP 连接同理。

(2)、IO：输入/输出（InputStream/OutPutStream），在 Java 中有三种方式：

1. BIO：同步阻塞 IO（Blocking IO）。B 代表 Blocking。

2. NIO：同步非阻塞 IO（Non-Nlocking IO / New IO）。集成在 JDK 1.4 及以上版本。

3. AIO：异步非阻塞 IO（Asynchronize IO）。A 代表 Asynchronize。

(3)、同步、异步、阻塞、非阻塞

1. 同步：指用户进程触发 IO 操作后通过等待或者轮训的方式查看 IO 操作是否完成。

2. 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。使用异步 IO 时，Java 将 IO 读写委托给 OS （Operation System 即：操作系统） 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。

3. 阻塞：进程在读取或写入数据时，会一直处于等待状态不能做其他事情，直到操作完成。

4. 非阻塞：进程在读取或写入数据时，进程不会处于等待状态，可以做其他事情。

举例：

故事：张三烧水。

演员：张三

道具：水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。

1. 同步阻塞（BIO）：张三把水壶放到火上，并把自己关在厨房里，盯着壶里的水，等它烧开。
2. 异步阻塞：张三把响水壶放到火上，并把自己关在厨房里，不用盯着壶里的水，靠汽笛声辨别是否烧开。（汽笛声：事件驱动）。
3. 同步非阻塞（NIO）：张三把水壶放到火上，然后就去书房学习，但是为了及时用上热水，他时不时的就得到厨房看一下烧水的状态。（时不时查看状态：轮询）
4. 异步非阻塞（AIO）：张三把响水壶放到火上，然后就去书房学习，不用时不时的到厨房看下烧水的状态，靠汽笛声辨别是否烧开。

二、基本介绍与实现

2-1、BIO 实现

Socket 的 BIO 实现比较简单，也没有太多复杂的概念。但由于效率低下，故实际应用率不高。所以，鉴于以上两点，这里就直接上代码了。

MyBIOClient.java

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

/**
 * @author Supreme_Sir
 * @version 1.0
 * @className MyClient
 * @description 客户端
 * @date 2020/12/20 20:52
 **/
public class MyBIOClient {
   
   
    public static void main(String[] args) throws Exception {
   
   
        // 创建 Socket 客户端
        Socket socket = new Socket();
        // 与服务端建立连接
        socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8081));

        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy年MM月dd日 HH时mm分ss秒");
        int counter = 0;
        while (counter < 5) {
   
   
            String now = simpleDateFormat.format(new Date());
            // 发送请求
            socket.getOutputStream().write(now.getBytes("UTF-8"));
            socket.getOutputStream().flush();
            Thread.sleep(1000);
            counter++;
        }
        // 若方法运行结束后，不调用 close 函数，服务端则会报错：java.net.SocketException: Connection reset
        socket.close();
        System.out.println("客户端关闭了 Socket 连接~！");
    }
}

MyBIOService.java

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Supreme_Sir
 * @version 1.0
 * @className MyService
 * @description 服务端
 * @date 2020/12/20 20:53
 **/
public class MyBIOService {
   
   
    public static void main(String[] args) throws Exception {
   
   
        // 创建 Socket 服务端，并设置监听的端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
        // 创建线程池以执行客户端请求（防止因请求过多，而导致的阻塞）
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1, 10, 60,
                TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<Runnable>());
        while (true) {
   
   
            // 阻塞方法，监听客户端请求
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("\r\n" + socket);
            // 创建自定义请求处理器
            SocketHandler handler = new SocketHandler(socket);
            // 处理客户端请求
            poolExecutor.execute(handler);
        }
    }
}

SocketHandler.java

import java.net.Socket;

/**
 * @author Supreme_Sir
 * @version 1.0
 * @className Handler
 * @description Socket 处理器
 * @date 2020/12/20 21:06
 **/
public class SocketHandler implements Runnable {
   
   
    private Socket socket;
    private static final byte[] BUFFER = new byte[1024];

    @Override
    public void run() {
   
   
        try {
   
   
            while (true){
   
   
                // 读取客户端 Socket 请求数据
                int read = socket.getInputStream().read(BUFFER);
                if (read != -1) {
   
   
                    System.out.println(new String(BUFFER, "UTF-8"));
                }else