JAVA中的IO和NIO以及Netty

于 2021-12-17 19:52:03 发布
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文章标签： java 开发语言 后端
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本文介绍了JAVA中的IO和NIO概念，IO是面向流的，而NIO是面向缓冲区的，具有非阻塞特性。Netty是基于Java NIO的异步事件驱动网络应用框架，提供了高性能、易用的特性，广泛应用于各种网络应用中。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

一、基础知识

(一)IO和NIO的概念

IO

  Java IO 也称为IO流，IO = 流，它的核心就是对文件的操作，对于 字节 、字符类型的输入和输出流。IO是指对数据流的输入和输出，也称为IO流，IO流主要分为两大类，字节流和字符流。字节流可以处理任何类型的数据，如图片，视频等，字符流只能处理字符类型的数据。IO流的本质是数据传输，并且流是单向的。

NIO

  JAVA NIO有两种解释：一种叫非阻塞IO（Non-blocking I/O），另一种也叫新的IO（New I/O），其实是同一个概念。它是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。NIO是一种基于通道和缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存（区别于JVM的运行时数据区），然后通过一个存储在java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的直接引用进行操作。这样能在一些场景显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

IO和NIO之间的区别

  NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

  IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

(二)Netty

Netty 是基于 Java NIO 的异步事件驱动的网络应用框架，使用 Netty 可以快速开发网络应用，Netty 提供了高层次的抽象来简化 TCP 和 UDP 服务器的编程，但是你仍然可以使用底层的 API。

Netty 的内部实现是很复杂的，但是 Netty 提供了简单易用的API从网络处理代码中解耦业务逻辑。Netty 是完全基于 NIO 实现的，所以整个 Netty 都是异步的。

Netty 是最流行的 NIO 框架，它已经得到成百上千的商业、商用项目验证，许多框架和开源组件的底层 rpc 都是使用的 Netty，如 Dubbo、Elasticsearch 等等。下面是官网给出的一些 Netty 的特性：

设计方面

  • 对各种传输协议提供统一的 API（使用阻塞和非阻塞套接字时候使用的是同一个 API，只是需要设置的参数不一样）。
  • 基于一个灵活、可扩展的事件模型来实现关注点清晰分离。
  • 高度可定制的线程模型——单线程、一个或多个线程池。
  • 真正的无数据报套接字（UDP）的支持（since 3.1）。

易用性

  • 完善的 Javadoc 文档和示例代码。
  • 不需要额外的依赖，JDK 5 (Netty 3.x) 或者 JDK 6 (Netty 4.x) 已经足够。

性能

  • 更好的吞吐量，更低的等待延迟。
  • 更少的资源消耗。
  • 最小化不必要的内存拷贝。

安全性

  • 完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持

二、基于IO的JAVA网络程序

客户端：

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

public class IOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        Socket s=new Socket("192.168.128.1", 50000);

        OutputStream os=s.getOutputStream();
        os.write("hello,tcp".getBytes());

        //释放资源
        s.close();

    }

}

服务端:

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

public class IOSever {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象(SevereSocket)
        //ServerSocket (int port)创建绑定到指定端口的服务器套接字
        ServerSocket ss=new ServerSocket(50000);

        //Socket accept()侦听要连接到此套接字并接受他
        Socket s=ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
        InputStream is=s.getInputStream();
        byte[] bys=new byte[1024];
        int len=is.read(bys);
        String data=new String(bys,0,len);
        System.out.println("数据是："+data);

        //释放资源
        s.close();
        ss.close();
    }
}

效果：

三、NIO 

服务端：

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;

public class Server {
    //网络通信IO操作，TCP协议，针对面向流的监听套接字的可选择通道（一般用于服务端）
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;

    /*
     *开启服务端
     */
    public void start(Integer port) throws Exception {
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        selector = Selector.open();
        //绑定监听端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //设置为非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //注册到Selector上
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        startListener();
    }
    private void startListener() throws Exception {
        while (true) {
            // 如果客户端有请求select的方法返回值将不为零
            if (selector.select(1000) == 0) {
                System.out.println("当前没有任务！！！");
                continue;
            }
            // 如果有事件集合中就存在对应通道的key
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 遍历所有的key找到其中事件类型为Accept的key
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable())
                    handleConnection();
                if (key.isReadable())
                    handleMsg(key);
                iterator.remove();
            }
        }
    }
    /**
     * 处理建立连接
     */
    private void handleConnection() throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
    }
    /*
     * 接收信息
     */
    private void handleMsg(SelectionKey key) throws Exception {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer attachment = (ByteBuffer) key.attachment();
        channel.read(attachment);
        System.out.println("当前信息: " + new String(attachment.array()));
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Server myServer = new Server();
        myServer.start(8887);
    }
}

客户端：

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class Click {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(new InetSocketAddress("192.168.0.179", 8887))) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("connecting...");
            }
        }
        //发送数据
        String str = "hello,物联网19级";
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(byteBuffer);
        System.in.read();
    }

}

 效果

 四、Netty

服务端：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

import java.net.InetSocketAddress;

/**
 *
 */
public class Server {

    private int port;

    public static void main(String[] args){
        new Server(12345).start();
    }

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() {
        /**
         * 创建两个EventLoopGroup，即两个线程池，boss线程池用于接收客户端的连接，
         * 一个线程监听一个端口，一般只会监听一个端口所以只需一个线程
         * work池用于处理网络连接数据读写或者后续的业务处理（可指定另外的线程处理业务，
         * work完成数据读写）
         */
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
        try {
            /**
             * 实例化一个服务端启动类，
             * group（）指定线程组
             * channel（）指定用于接收客户端连接的类，对应java.nio.ServerSocketChannel
             * childHandler（）设置编码解码及处理连接的类
             */
            ServerBootstrap server = new ServerBootstrap()
                    .group(boss, work).channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldServerHandler());
                        }
                    });
            //绑定端口
            ChannelFuture future = server.bind().sync();
            System.out.println("server started and listen " + port);
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            boss.shutdownGracefully();
            work.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static class HelloWorldServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldServerHandler active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("server channelRead..");
            System.out.println(ctx.channel().remoteAddress()+"->Server :"+ msg.toString());
            ctx.write("server write"+msg);
            ctx.flush();
        }
    }
}

客户端：

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

/**
 *
 */
public class Click {
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int PORT= 12345;

    public static void main(String[] args){
        new Click().start(HOST, PORT);
    }

    public void start(String host, int port) {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap client = new Bootstrap().group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldClientHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture future = client.connect(host, port).sync();
            future.channel().writeAndFlush("Hello Netty Server ,I am a netty client");
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();

        }

    }

    public static class HelloWorldClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler Active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler read Message:"+msg);
        }
    }
}

效果 

 

五、参考

(92条消息) Java NIO原理与简单实现_lhrimperial的专栏-优快云博客_java nio原理

(92条消息) Java NIO？看这一篇就够了！_u011381576的博客-优快云博客_nio是什么意思

Java NIO：IO与NIO的区别 - 平凡希 - 博客园 (cnblogs.com)

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