初识NIO
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2023-06-20 15:37
一、BIO
什么是BIO？其实就是初学java的时候老师讲的I/O，比如InputStream、OutputStream等很多stream，它们都在java.io包下：
BIO的全称叫Blocking IO，翻译过来就是阻塞IO，为了让你们有个直观的认识，先看段程序：
package com.example.io;
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...");
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接了...");
handle(socket);
}
}
private static void handle(Socket socket) throws IOException {
byte[] bytes = new byte[1024];
System.out.println("准备read...");
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));
}
socket.getOutputStream().flush();
}
}
这段程序就是java基础中的网络编程，它其实就是基于BIO开发的。
在第15行打个断点，运行程序
但你会发现程序并没有运行到第15行，当然肯定也不会卡在第12行，那就是卡在第13行了，BIO的B就是这个意思，它会阻塞住。
回车后你会发现，程序走了
1.3、通过客户端发送数据
上面的调试到了handle方法，意思就是要处理这个请求，在23行打个断点，放开请求
你会发现又卡住了，很明显这次卡在了第22行，这行代码的意思是在等待客户端发送数据，因为刚才的telnet只是连接上了客户端，并没有发送数据，接下来通过telnet发送数据，方法是按下ctrl+]
如果对telnet不熟悉的话，可以通过help命令查看一下：
接下来通过send发送一条数据：send xiaoP
回车后你会发现程序走了
断点放开后，服务端成功收到了客户端发送的内容：
以上就是简单的BIO的演示过程，可以看到，accept和read方法都是阻塞的，其实不仅阻塞，也是同步的，把断点都去掉，然后运行程序
然后打开两个客户端
然后先在左边的窗口按ctrl+]，再在右边的窗口按ctrl+]
然后在右边的窗口先send数据
可以看到，我右边已经回车发送了，但是服务端并没有打印xiaoP2,
这时候我在左边的窗口回车
这时候控制台打印了
可以看到，服务端在处理请求的时候是串行的，也就是单线程，必须处理完第一个请求才会处理第二个，这样的话就会有一个严重的问题，假如说第一个请求因为某些原因迟迟未处理，那后面的请求也都会被阻塞，那既然它是单线程，我们可以不可以通过多线程来处理，一个线程处理一个请求，这样就不会被阻塞了？稍微改下程序
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
while (true) {
System.out.println("等待连接...");
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接了...");
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
handle(socket);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
重新跑起来，然后重复上面的步骤，你就会发现xiaoP2打印出来了。
总结下BIO的缺点：
1、需要开大量的线程处理请求
2、存在阻塞问题
3、线程切换造成的开销
4、连接但不发送数据，会占用线程不释放
所以BIO的使用场景是很少的，除非你的项目需要的连接数很少。
那有没有办法解决这种问题，肯定是有的，其实在jdk1.4之后，引入了nio，其中n表示none blocking，非阻塞。
二、初识NIO2.1、最简单的NIO程序
我们先用nio的API写一个简单的程序并启动它
package com.example.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
public class NioServer {
/**
* 存放SocketChannel
*/
private static List<SocketChannel> list = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws IOException {
//nio中叫ServerSocketChannel，bio中叫ServerSocket
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定到9000端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
//设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
System.out.println("服务启动成功!");
while (true) {
//如果上面的configureBlocking设置为true，那这行代码和bio中的accept是一样的，都是阻塞的
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel != null) {
System.out.println("连接成功!");
//设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
list.add(socketChannel);
}
//遍历连接进行数据读取
Iterator<SocketChannel> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SocketChannel next = iterator.next();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
int len = next.read(byteBuffer);
//如果有数据，把数据打印出来
if(len > 0) {
System.out.println("接收到数据：" + new String(byteBuffer.array()));
} else if (len == -1) {
//如果客户端断开，把socket从集合中移除
iterator.remove();
System.out.println("客户端断开连接");
}
}
}
}
}
2.2、通过客户端连接
还是和bio中的调试一样，开两个客户端，先连接第一个客户端，但是先在第二个客户端中发送数据
可以看到，没有bio那种阻塞的问题了，不管你开再多的连接，都可以处理。为什么？最本质的区别就是accept和read方法不再是阻塞的了，这样的话主线程其实一直在做循环，不断的在找客户端连接，不断的在读数据（如果客户端发送有的话）。你是不是觉得这样的程序就没问题了？怎么可能，试想一下，假如有1万个连接，但是只有一个连接发数据了，那为了读取这一个连接的数据，每次都要循环一遍这一万个连接？合适吗？那如何优化？优化的目的很明确，就是我们只需要找到有数据的那个连接就行了，具体怎么做？nio这么强大，它肯定已经做好了，这个东西叫多路复用器，也就是大名鼎鼎的selector。
2.3、通过selector改良程序
package com.example.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class NioSelectorServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//nio中叫ServerSocketChannel，bio中叫ServerSocket
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定到9000端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
//设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
/**
* 打开selector处理channel，即创建epoll
*/
Selector selector = Selector.open();
//将serverSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端的accept连接操作感兴趣
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务启动成功!");
while (true) {
//阻塞等待需要处理的事件发生，这里是阻塞的，有事件的话才会往下执行
selector.select();
//获取selector中注册的全部事件的SelectionKey实例
Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
//遍历selectionKey对事件进行处理
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey next = iterator.next();
//如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册
if (next.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) next.channel();
SocketChannel socketChannel = channel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
//这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据，可以注册写事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("客户端连接成功！");
} else if (next.isReadable()) {
//如果是OP_READ事件，则进行读取和打印
SocketChannel channel = (SocketChannel) next.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
int len = channel.read(byteBuffer);
//如果有数据，把数据打印出来
if (len > 0) {
System.out.println("接收到数据：" + new String(byteBuffer.array()));
} else if(len == -1) {
//如果客户端断开连接，关闭Socket
System.out.println("客户端断开连接");
channel.close();
}
}
//从事件集合里删除本次处理的key，防止下次selector重复处理
iterator.remove();
}
}
}
}
启动程序，观察
可以看到，程序阻塞在了第31行，selector解决了程序一直空跑的情况，这时候打开一个客户端，运行telnet localhost 9000，会发现程序往下执行了，telnet相当于一个accept事件，往下debug会进入next.isAcceptable判断中，放开断点，你会发现程序又阻塞在31行，这时候发送数据
程序又往下走了
放开断点，这时候会进入到next.isReadable中，因为客户端给服务端发数据，对服务端来说是一个读事件
放开断点，让程序运行
打印了数据，并且程序继续阻塞在selector.select这行代码。这是不是就实现了我们想要的功能，有数据的时候才会处理，那原理是什么？看一张图
对照着代码看这一张图
注：selectionKey其实就是对应的ServerSocketChannel或者SocketChannel，通过selectionKey可以拿到ServerSocketChannel或SocketChannel 以上就是nio运行的大概流程。
那底层是怎么实现的？下篇文章见！