java网络编程(二)----同步阻塞bio

末蓝、 2021-09-22 08:22 333阅读 0赞

网络编程的基本模型是C/S模型，即两个进程间的通信。  
服务端提供IP和监听端口，客户端通过连接操作想服务端监听的地址发起连接请求，通过三次握手连接，如果连接成功建立，双方就可以通过套接字进行通信。

传统的同步阻塞模型开发中，ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；Socket负责发起连接操作。连接成功后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信。

简单的描述一下BIO的服务端通信模型：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，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通宵模型。

当然我们也可以使用线程池来管理这些线程，实现1个或多个线程处理N个客户端的模型（但是底层还是使用的同步阻塞I/O），通常被称为“伪异步I/O模型“。

{
    //线程池
    ExecutorService executor = Excutors.newCachedThreadPool(100);
    
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
    serverSocket.bind(8088);
    while(!Thread.currentThread.isInturrupted()){
        //主线程死循环等待新连接到来
        Socket socket = serverSocket.accept();
        //为新的连接创建新的线程
        executor.submit(new ConnectIOnHandler(socket));
    }
    
    class ConnectIOnHandler extends Thread{ 
        private Socket socket;
        public ConnectIOnHandler(Socket socket){
           this.socket = socket;
        }
        public void run(){
        //死循环处理读写事件
            while(!Thread.currentThread.isInturrupted()&&!socket.isClosed()){
                String someThing = socket.read()....//读取数据
                if(someThing!=null){
                     ......//处理数据
                     socket.write()....//写数据
                 }
            }
        }
    }

这是一个经典的每连接每线程的模型，之所以使用多线程，主要原因在于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的，当一个连接在处理I/O的时候，系统是阻塞的，如果是单线程的话必然就阻塞在那里，但CPU是被释放出来的；开启多线程，就可以让CPU去处理更多的事情。其实这也是所有使用多线程的本质：

1.  利用多核。
2.  当I/O阻塞系统，但CPU空闲的时候，可以利用多线程使用CPU资源。

> IO导致的线程阻塞：一般是被动的，在抢占资源中得不到资源，被动的挂起在内存，等待某种资源或信号量（即有了资源）将他唤醒。（释放CPU，不释放内存）
> 
> 线程挂起：一般是主动的，由系统或程序发出，甚至于辅存中去。（不释放CPU，可能释放内存，放在外存）

现在的多线程一般都使用线程池，可以让线程的创建和回收成本相对较低。在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。

不过，这个模型最本质的问题在于，我们创建的是CachedThreadPool线程池（不限制线程数量），高并发状态下会建立很多个线程，使得程序严重依赖于线程。但线程是很”贵”的资源，主要表现在：

1.  线程的创建和销毁成本很高，在Linux这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数。
2.  线程本身占用较大内存，像Java的线程栈，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。
3.  线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高（超过20%以上)，导致系统几乎陷入不可用的状态。
4.  容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。

当然我们也可以使用FixedThreadPool，这样就就能有效的控制了线程的最大数量，保证了系统有限的资源的控制。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：

1.  有数据可读
2.  可用数据以及读取完毕
3.  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。

**总结**：当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的。随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行，百万级长连接日趋普遍，此时，必然需要一种更高效的I/O处理模型。

参考文章：[https://tech.meituan.com/nio.html][https_tech.meituan.com_nio.html]

[https_tech.meituan.com_nio.html]: https://tech.meituan.com/nio.html