IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步阻塞NIO、异步非阻塞的AIO。
1.同步阻塞BIO
特点：一个请求对应一个线程模式
采用BIO通信模型的服务端，通常由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的连接，它接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理没处理完成后，通过输出流返回应答给客户端，线程销毁。即典型的一请求一应答
缺点：访问量增加时，客户端发送的请求对应一个服务器端的线程，随着时间的增加线程的数会越来越多，造成性能下降。
服务端：
package com.zwy.server;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import com.zwy.handler.ServerHandler;
/**
* BIO服务端源码
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public final class ServerNormal {
//默认的端口号
private static int DEFAULT_PORT = 12345;
//单例的ServerSocket
private static ServerSocket server;
//根据传入参数设置监听端口，如果没有参数调用以下方法并使用默认值
public static void start() throws IOException{
//使用默认值
start(DEFAULT_PORT);
}
//这个方法不会被大量并发访问，不太需要考虑效率，直接进行方法同步就行了
public synchronized static void start(int port) throws IOException{
if(server != null) return;
try{
//通过构造函数创建ServerSocket
//如果端口合法且空闲，服务端就监听成功
server = new ServerSocket(port);
System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
//通过无线循环监听客户端连接
//如果没有客户端接入，将阻塞在accept操作上。
while(true){
Socket socket = server.accept();
//当有新的客户端接入时，会执行下面的代码
//然后创建一个新的线程处理这条Socket链路
new Thread(new ServerHandler(socket)).start();
}
}finally{
//一些必要的清理工作
if(server != null){
System.out.println("服务器已关闭。");
server.close();
server = null;
}
}
}
}
client端：
package com.zwy.client;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
/**
* 阻塞式I/O创建的客户端
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public class Client {
//默认的端口号
private static int DEFAULT_SERVER_PORT = 12345;
private static String DEFAULT_SERVER_IP = "127.0.0.1";
public static void send(String expression){
send(DEFAULT_SERVER_PORT,expression);
}
public static void send(int port,String expression){
System.out.println("算术表达式为：" + expression);
Socket socket = null;
BufferedReader in = null;
PrintWriter out = null;
try{
socket = new Socket(DEFAULT_SERVER_IP,port);
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
out.println(expression);
System.out.println("___结果为：" + in.readLine());
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
//一下必要的清理工作
if(in != null){
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
in = null;
}
if(out != null){
out.close();
out = null;
}
if(socket != null){
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
socket = null;
}
}
}
}
serverHandler
package com.zwy.handler;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import com.zwy.Test.Calculator;
/**
* 客户端线程
* @author yangtao__anxpp.com
* 用于处理一个客户端的Socket链路
*/
public class ServerHandler implements Runnable{
private Socket socket;
public ServerHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
BufferedReader in = null;
PrintWriter out = null;
try{
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
String expression;
String result;
while(true){
//通过BufferedReader读取一行
//如果已经读到输入流尾部，返回null,退出循环
//如果得到非空值，就尝试计算结果并返回
if((expression = in.readLine())==null) break;
System.out.println("服务器收到消息：" + expression);
try{
result = Calculator.cal(expression).toString();
}catch(Exception e){
result = "计算错误：" + e.getMessage();
}
out.println(result);
}
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
//一些必要的清理工作
if(in != null){
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
in = null;
}
if(out != null){
out.close();
out = null;
}
if(socket != null){
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
socket = null;
}
}
}
}
工具类：
package com.zwy.Test;
import javax.script.ScriptEngine;
import javax.script.ScriptEngineManager;
import javax.script.ScriptException;
public final class Calculator {
private final static ScriptEngine jse = new ScriptEngineManager().getEngineByName("JavaScript");
public static Object cal(String expression) throws ScriptException{
return jse.eval(expression);
}
}测试类：
package com.zwy.Test;
import java.io.IOException;
import java.util.Random;
import com.zwy.client.Client;
import com.zwy.server.ServerNormal;
/**
* 测试方法
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public class Test {
//测试主方法
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//运行服务器
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
ServerNormal.start();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
//避免客户端先于服务器启动前执行代码
Thread.sleep(100);
//运行客户端
char operators[] = {'+','-','*','/'};
Random random = new Random(System.currentTimeMillis());
new Thread(new Runnable() {
@SuppressWarnings("static-access")
@Override
public void run() {
while(true){
//随机产生算术表达式
String expression = random.nextInt(10)+""+operators[random.nextInt(4)]+(random.nextInt(10)+1);
Client.send(expression);
try {
Thread.currentThread().sleep(random.nextInt(1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
}
优化策略：增加线程池管理服务器线程
package com.anxpp.io.calculator.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* BIO服务端源码__伪异步I/O
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public final class ServerBetter {
//默认的端口号
private static int DEFAULT_PORT = 12345;
//单例的ServerSocket
private static ServerSocket server;
//线程池 懒汉式的单例
private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(60);
//根据传入参数设置监听端口，如果没有参数调用以下方法并使用默认值
public static void start() throws IOException{
//使用默认值
start(DEFAULT_PORT);
}
//这个方法不会被大量并发访问，不太需要考虑效率，直接进行方法同步就行了
public synchronized static void start(int port) throws IOException{
if(server != null) return;
try{
//通过构造函数创建ServerSocket
//如果端口合法且空闲，服务端就监听成功
server = new ServerSocket(port);
System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
//通过无线循环监听客户端连接
//如果没有客户端接入，将阻塞在accept操作上。
while(true){
Socket socket = server.accept();
//当有新的客户端接入时，会执行下面的代码
//然后创建一个新的线程处理这条Socket链路
executorService.execute(new ServerHandler(socket));
}
}finally{
//一些必要的清理工作
if(server != null){
System.out.println("服务器已关闭。");
server.close();
server = null;
}
}
}
}
但是，正因为限制了线程数量，如果发生大量并发请求，超过最大数量的线程就只能等待，直到线程池中的有空闲的线程可以被复用。而对Socket的输入流就行读取时，会一直阻塞，直到发生：
- 有数据可读
- 可用数据以及读取完毕
- 发生空指针或I/O异常
所以在读取数据较慢时（比如数据量大、网络传输慢等），大量并发的情况下，其他接入的消息，只能一直等待，这就是最大的弊端。
2.同步非阻塞NIO（重点）
特点：多个请求服务器一个线程处理请求
NIO主要解决了BIO大并发的问题，客户端发送的连接请求注册到一个多路复用器上，多路复用器轮询到连接的i/o请求上启动一个线程去处理，客户端的进程需要不断询问状态
优点：对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。
NIO有几个比较重要的知识：
1.缓冲区buffer
buffer是一个文件操作对象，包含了一些写入或者读出的数据。
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。
具体的缓存区有这些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。
2.通道channel
我们对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。
底层的操作系统的通道一般都是全双工的，所以全双工的Channel比流能更好的映射底层操作系统的API。
Channel主要分两大类：
- SelectableChannel：用户网络读写
- FileChannel：用于文件操作
后面代码会涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类。
3.多路复用器 Selector
Selector是Java NIO 编程的基础。
Selector提供选择已经就绪的任务的能力：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个Selector可以同时轮询多个Channel，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048的限制。所以，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
服务端：
package com.anxpp.io.calculator.nio;
public class Server {
private static int DEFAULT_PORT = 12345;
private static ServerHandle serverHandle;
public static void start(){
start(DEFAULT_PORT);
}
public static synchronized void start(int port){
if(serverHandle!=null)
serverHandle.stop();
serverHandle = new ServerHandle(port);
new Thread(serverHandle,"Server").start();
}
public static void main(String[] args){
start();
}
}
package com.anxpp.io.calculator.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;
import java.util.Set;
import com.anxpp.io.utils.Calculator;
/**
* NIO服务端
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public class ServerHandle implements Runnable{
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverChannel;
private volatile boolean started;
/**
* 构造方法
* @param port 指定要监听的端口号
*/
public ServerHandle(int port) {
try{
//创建选择器
selector = Selector.open();
//打开监听通道
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
//如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
//绑定端口 backlog设为1024
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
//监听客户端连接请求
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//标记服务器已开启
started = true;
System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
public void stop(){
started = false;
}
@Override
public void run() {
//循环遍历selector
while(started){
try{
//无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
selector.select(1000);
//阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
// selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){
key = it.next();
it.remove();
try{
handleInput(key);
}catch(Exception e){
if(key != null){
key.cancel();
if(key.channel() != null){
key.channel().close();
}
}
}
}
}catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
}
}
//selector关闭后会自动释放里面管理的资源
if(selector != null)
try{
selector.close();
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
if(key.isValid()){
//处理新接入的请求消息
if(key.isAcceptable()){
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
//通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例
//完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立
SocketChannel sc = ssc.accept();
//设置为非阻塞的
sc.configureBlocking(false);
//注册为读
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
//读消息
if(key.isReadable()){
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取请求码流，返回读取到的字节数
int readBytes = sc.read(buffer);
//读取到字节，对字节进行编解码
if(readBytes>0){
//将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
buffer.flip();
//根据缓冲区可读字节数创建字节数组
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
//将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
buffer.get(bytes);
String expression = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("服务器收到消息：" + expression);
//处理数据
String result = null;
try{
result = Calculator.cal(expression).toString();
}catch(Exception e){
result = "计算错误：" + e.getMessage();
}
//发送应答消息
doWrite(sc,result);
}
//没有读取到字节 忽略
// else if(readBytes==0);
//链路已经关闭，释放资源
else if(readBytes<0){
key.cancel();
sc.close();
}
}
}
}
//异步发送应答消息
private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws IOException{
//将消息编码为字节数组
byte[] bytes = response.getBytes();
//根据数组容量创建ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
//将字节数组复制到缓冲区
writeBuffer.put(bytes);
//flip操作
writeBuffer.flip();
//发送缓冲区的字节数组
channel.write(writeBuffer);
//****此处不含处理“写半包”的代码
}
}
- 打开ServerSocketChannel，监听客户端连接
- 绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式
- 创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程
- 将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的Selector上，监听ACCEPT事件
- Selector轮询准备就绪的key
- Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路
- 设置客户端链路为非阻塞模式
- 将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息
- 异步读取客户端消息到缓冲区
- 对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task
- 将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端
客户端：
package com.anxpp.io.calculator.nio;
public class Client {
private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";
private static int DEFAULT_PORT = 12345;
private static ClientHandle clientHandle;
public static void start(){
start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);
}
public static synchronized void start(String ip,int port){
if(clientHandle!=null)
clientHandle.stop();
clientHandle = new ClientHandle(ip,port);
new Thread(clientHandle,"Server").start();
}
//向服务器发送消息
public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{
if(msg.equals("q")) return false;
clientHandle.sendMsg(msg);
return true;
}
public static void main(String[] args){
start();
}
}
package com.anxpp.io.calculator.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;
import java.util.Set;
/**
* NIO客户端
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public class ClientHandle implements Runnable{
private String host;
private int port;
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private volatile boolean started;
public ClientHandle(String ip,int port) {
this.host = ip;
this.port = port;
try{
//创建选择器
selector = Selector.open();
//打开监听通道
socketChannel = SocketChannel.open();
//如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
started = true;
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
public void stop(){
started = false;
}
@Override
public void run() {
try{
doConnect();
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
//循环遍历selector
while(started){
try{
//无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
selector.select(1000);
//阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
// selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){
key = it.next();
it.remove();
try{
handleInput(key);
}catch(Exception e){
if(key != null){
key.cancel();
if(key.channel() != null){
key.channel().close();
}
}
}
}
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
//selector关闭后会自动释放里面管理的资源
if(selector != null)
try{
selector.close();
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
if(key.isValid()){
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
if(key.isConnectable()){
if(sc.finishConnect());
else System.exit(1);
}
//读消息
if(key.isReadable()){
//创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取请求码流，返回读取到的字节数
int readBytes = sc.read(buffer);
//读取到字节，对字节进行编解码
if(readBytes>0){
//将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
buffer.flip();
//根据缓冲区可读字节数创建字节数组
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
//将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
buffer.get(bytes);
String result = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("客户端收到消息：" + result);
}
//没有读取到字节 忽略
// else if(readBytes==0);
//链路已经关闭，释放资源
else if(readBytes<0){
key.cancel();
sc.close();
}
}
}
}
//异步发送消息
private void doWrite(SocketChannel channel,String request) throws IOException{
//将消息编码为字节数组
byte[] bytes = request.getBytes();
//根据数组容量创建ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
//将字节数组复制到缓冲区
writeBuffer.put(bytes);
//flip操作
writeBuffer.flip();
//发送缓冲区的字节数组
channel.write(writeBuffer);
//****此处不含处理“写半包”的代码
}
private void doConnect() throws IOException{
if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port)));
else socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
public void sendMsg(String msg) throws Exception{
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
doWrite(socketChannel, msg);
}
}
测试：
package com.anxpp.io.calculator.nio;
import java.util.Scanner;
/**
* 测试方法
* @author yangtao__anxpp.com
* @version 1.0
*/
public class Test {
//测试主方法
@SuppressWarnings("resource")
public static void main(String[] args) throws Exception{
//运行服务器
Server.start();
//避免客户端先于服务器启动前执行代码
Thread.sleep(100);
//运行客户端
Client.start();
while(Client.sendMsg(new Scanner(System.in).nextLine()));
}
}
3.异步非阻塞的AIO
特点：异步的套接字通道时真正的异步非阻塞I/O，对应于UNIX网络编程中的事件驱动I/O（AIO）。他不需要过多的Selector对注册的通道进行轮询即可实现异步读写，从而简化了NIO的编程模型。
对文章总结https://blog.youkuaiyun.com/anxpp/article/details/51512200 感谢
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