BIO、NIO、AIO你会用了吗

旧城等待， 2022-12-07 15:16 209阅读 0赞

## 前言 ##

在面试中老是被问到说一下BIO、NIO、AIO。自己知道一个大概，但是说又说不清。刚好在训练营老师讲到了这部分，所以就整理下来。

## 概念 ##

BIO/NIO/AIO 这些只是数据传输的输入输出流的一些形式而已。也就是说他们的本质就是输入输出流。只是存在同步异步，阻塞和非阻塞的问题。

**同步异步**

同步（synchronize）、异步（asychronize）是指应用程序和内核的交互而言的.

同步：指用户进程触发IO操作等待或者轮训的方式查看IO操作是否就绪。

举例：我们烧水，等待水烧开饮用。我们从开始烧水到水烧开，我们就一直等待或者过段时间来看下水烧开没有。这就是同步。

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

举例：我们烧水，用有提示的烧水壶。我们开始烧水后，就不用一直等待或者过段时间来查看了，我们可以做其他事情。当水烧好的时候，热水壶会给出提示，这个时候我们就知道水烧好了，可以饮用了。

**阻塞非阻塞**

阻塞和非阻塞是针对于进程访问数据的时候,根据 IO 操作的就绪状态来采取不同的方式。简单点说就是一种读写操作方法的实现方式. 阻塞方式下读取和写入将一直等待, 而非阻塞方式下,读取和写入方法会理解返回一个状态值.

我们还是烧水这个例子：

我烧水，一直在旁边候着，等待水烧开。这个就是**同步阻塞**。因为这段时间，我就做这一件事情。

我烧水，时不时过来看看，看烧开没。这个就是 **同步非阻塞** 。因为我只需过段时间来看下就可以了，这期间可以做其他事情。

我烧水，用烧水壶，不用自己来看。但是我也不做其他事，就在旁边候着。这个就是 **异步阻塞**。

我烧水，用烧水壶，不用自己来看。我做其他事情去了，等水好了通知我就行。这个就是 **异步非阻塞**。

## BIO ##

上面我们知道了同步异步，阻塞非阻塞的概念，我们接下来就来分别看看 BIO、NIO、AIO 到底是啥。

BIO：同步阻塞的IO。B 为 blocking。‘’

也就是说，每一个请求请求对应一个线程。每个线程都会等待请求输入的 IO流。如果没有接收到，就一直处于阻塞的状态。知道获取到 IO 流就进行处理。

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我们可以写一个例子。就最简单的socket 。同步阻塞方式。

我们创建一个服务端，在服务端有一下几步操作。

1、创建一个 ServerSocket。

2、死循环来等客户端发送的请求信息。

3、解析接收的信息。

4、发送返回信息。

代码如下：

public class Server {
    
    
        public static void main(String[] args) {
    
    
            try {
                ServerSocket socket = new ServerSocket(8080);
    
                while(true){
                    System.out.println("waiting......");
                    Socket accept = socket.accept();//同步阻塞
                    System.out.println("beging......");
                    new Thread(()->{
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        try {
                            int len = accept.getInputStream().read(bytes);//同步阻塞
                            String cilentMessage=new String(bytes,0,len);
                            System.out.println(cilentMessage);
                            String backMessage="server accepted message successful. message is "+cilentMessage;
                            accept.getOutputStream().write(backMessage.getBytes());
                            accept.getOutputStream().flush();
                        } catch (IOException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }).start();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

接下来我们来写一个客户端。客户端做这几件事。

1、持续读取控制台输入的信息，每次读取一行。

2、创建 socket 连接，连接到服务端。

3、向服务端发送消息。

4、接收服务端发送的消息。

5、解析服务端发送的消息。

6、关闭 socket 连接。

代码如下：

public class Client {
    
    
        public static void main(String[] args) {
    
            try {
                System.out.println("client begin......");
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                while (scanner.hasNext()){
                    Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8080);
                    String message=scanner.nextLine();
                    socket.getOutputStream().write(message.getBytes());
                    socket.getOutputStream().flush();
                    System.out.println("server back message......");
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    int len = socket.getInputStream().read(bytes);
                    String backMessage=new String(bytes,0,len);
                    System.out.println(backMessage);
                    socket.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

分别启动服务端和客户端，测试效果如下：

![image-20200713113231211][]

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BIO 是一种最简单的IO交互方式。实现方式也很简单，就是同步阻塞，就是当没有收到消息时，就会一直处于等待状态，不会做其他事情。所以效率不高，一般项目中不会使用。

## NIO ##

NIO :同步非阻塞的IO (no-blocking IO) .

服务器实现模式为一个请求一个通道，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理。

所以我们先来了解一些基本概念：

**通道**

NIO 引入的最重要的概念就是通道，Channel(通道)是指数据通道，也就是数据传输的通道。 数据可以从 buffer 中读取到 channel 中，也可以冲channel 中读取到 buffer 中。

**缓冲区**

buffer 缓存中像是一个缓存，暂时的存放数据，数据可以从 buffer 中读取到 channel 中，也可以冲channel 中读取到 buffer 中。

**选择器**

选择器是线程与通道之间的桥梁。使用选择器，借助单线程就可以对众多的 IO 通道进行监控和维护。

![format_png 2][]

那 NIO 有什么特点呢？

我们上面可以看到，一个线程就可以处理多个通道。一个通道对应一个连接，所以当创建一个连接，都会注册到多路复用器，也就是 selector 。然后selector 通过轮寻的方式，每个一段时间执行有传输数据的通道。

有一个例子：就是幼儿园每个小孩上厕所都需要老师陪同。NIO就是，为整个幼儿园分配一个老师，老师会定期的询问，想要上厕所的孩子举手，然后统一带领这些孩子去上厕所。这样就避免了每个孩子上厕所，老师都要去一趟。通过多路复用，简化流程。

我们现在也手写一个NIO的例子，一样的分为客户端和服务端。我们先写服务端。

### 服务端 ###

服务端主要做如下操作：

1、声明多路复用器

2、定义读写缓存区

3、编写初始化方法

4、编写启动类

5、编写执行方法

初始化 init 的方法中主要是

1、开启多路复用器

2、开启通道

3、设置非阻塞

4、绑定端口

5、注册通道

整体代码如下：

public class NIOServer extends Thread{
    
        //1.声明多路复用器
        private Selector selector;
        //2.定义读写缓冲区
        private ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        private ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
        //3.定义构造方法初始化端口
        public NIOServer(int port) {
            init(port);
        }
    
        //4.main方法启动线程
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new  NIOServer(8888)).start();
        }
    
        //5.初始化
        private void init(int port) {
    
            try {
                System.out.println("服务器正在启动......");
                //1)开启多路复用器
                this.selector = Selector.open();
                //2) 开启服务通道
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                //3)设置为非阻塞
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                //4)绑定端口
                serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
                /**
                 * SelectionKey.OP_ACCEPT   —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
                 * SelectionKey.OP_CONNECT  —— 连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功
                 * SelectionKey.OP_READ     —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
                 * SelectionKey.OP_WRITE    —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）
                 */
                //5)注册,标记服务连接状态为ACCEPT状态
                serverSocketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                System.out.println("服务器启动完毕");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        public void run(){
            while (true){
                try {
                    //1.当有至少一个通道被选中,执行此方法
                    this.selector.select();
                    //2.获取选中的通道编号集合
                    Iterator<SelectionKey> keys = this.selector.selectedKeys().iterator();
                    //3.遍历keys
                    while (keys.hasNext()) {
                        SelectionKey key = keys.next();
                        //4.当前key需要从动刀集合中移出,如果不移出,下次循环会执行对应的逻辑,造成业务错乱
                        keys.remove();
                        //5.判断通道是否有效
                        if (key.isValid()) {
                            try {
                                //6.判断是否可以连接
                                if (key.isAcceptable()) {
                                    accept(key);
                                }
                            } catch (CancelledKeyException e) {
                                //出现异常断开连接
                                key.cancel();
                            }
    
                            try {
                                //7.判断是否可读
                                if (key.isReadable()) {
                                    read(key);
                                }
                            } catch (CancelledKeyException e) {
                                //出现异常断开连接
                                key.cancel();
                            }
    
                            try {
                                //8.判断是否可写
                                if (key.isWritable()) {
                                    write(key);
                                }
                            } catch (CancelledKeyException e) {
                                //出现异常断开连接
                                key.cancel();
                            }
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
        private void accept(SelectionKey key) {
            try {
                //1.当前通道在init方法中注册到了selector中的ServerSocketChannel
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                //2.阻塞方法, 客户端发起后请求返回.
                SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();
                ///3.serverSocketChannel设置为非阻塞
                channel.configureBlocking(false);
                //4.设置对应客户端的通道标记,设置次通道为可读时使用
                channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        //使用通道读取数据
        private void read(SelectionKey key) {
            try{
                //清空缓存
                this.readBuffer.clear();
                //获取当前通道对象
                SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                //将通道的数据(客户发送的data)读到缓存中.
                int readLen = channel.read(readBuffer);
                //如果通道中没有数据
                if(readLen == -1 ){
                    //关闭通道
                    key.channel().close();
                    //关闭连接
                    key.cancel();
                    return;
                }
                //Buffer中有游标,游标不会重置,需要我们调用flip重置. 否则读取不一致
                this.readBuffer.flip();
                //创建有效字节长度数组
                byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                //读取buffer中数据保存在字节数组
                readBuffer.get(bytes);
                System.out.println("收到了从客户端 "+ channel.getRemoteAddress() + " :  "+ new String(bytes,"UTF-8"));
                //注册通道,标记为写操作
                channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_WRITE);
    
            }catch (Exception e){
    
            }
        }
    
        //给通道中写操作
        private void write(SelectionKey key) {
            //清空缓存
            this.readBuffer.clear();
            //获取当前通道对象
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            //录入数据
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    
            try {
                System.out.println("即将发送数据到客户端..");
                String line = scanner.nextLine();
                //把录入的数据写到Buffer中
                writeBuffer.put(line.getBytes("UTF-8"));
                //重置缓存游标
                writeBuffer.flip();
                channel.write(writeBuffer);
                channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_READ);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

在执行方法run 方法中，获取选中的通道编号，遍历判断，状态是否为可接受、可读或者可写。分别进行不同的操作。

### 客户端 ###

客户端比较简单。

1、开启通道

2、连接到服务器

3、向通道中写入数据

4、解析通道中的数据。

public class NIOClient {
        public static void main(String[] args) {
            //创建远程地址
            InetSocketAddress address  = new InetSocketAddress("127.0.0.1",8888);
            SocketChannel channel = null;
            //定义缓存
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            try {
                //开启通道
                  channel = SocketChannel.open();
                //连接远程远程服务器
                channel.connect(address);
                Scanner sc = new Scanner(System.in);
                while (true){
                    System.out.println("客户端即将给 服务器发送数据..");
                    String line = sc.nextLine();
                    if(line.equals("exit")){
                        break;
                    }
                    //控制台输入数据写到缓存
                    buffer.put(line.getBytes("UTF-8"));
                    //重置buffer 游标
                    buffer.flip();
                    //数据发送到数据
                    channel.write(buffer);
                    //清空缓存数据
                    buffer.clear();
    
                    //读取服务器返回的数据
                    int readLen = channel.read(buffer);
                    if(readLen == -1){
                        break;
                    }
                    //重置buffer游标
                    buffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    //读取数据到字节数组
                    buffer.get(bytes);
                    System.out.println("收到了服务器发送的数据 : "+ new String(bytes,"UTF-8"));
                    buffer.clear();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (null != channel){
                    try {
                        channel.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

### 测试 ###

服务端接收到客户端的消息，并想客户端发送消息。

![format_png 3][]

客户端：向服务端发送消息，接收服务器发送的消息。

![format_png 4][]

## AIO ##

异步非阻塞IO。A代表asynchronize

当有流可以读时,操作系统会将可以读的流传入read方法的缓冲区,并通知应用程序,对于写操作,OS将write方法的流写入完毕是操作系统会主动通知应用程序。因此read和write都是异步 的，完成后会调用回调函数。

使用场景：连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器。重点调用了OS参与并发操作，编程较复杂。

我们一样的来创建一个例子。和AIO 主要的不同还是异步非阻塞，也就是通过子线程进行读写。

### 服务端 ###

服务端我们要做如下几件事。

1、声明多路复用选择器。

2、定义读写缓冲区

3、初始化选择器和通道

4、主线程启动。

我们先写一个 ServerMain 作为启动类。

public class ServerMain {
    
        //定义一个选择器
        private Selector selector;
    
    
        /**
         * 在初始化中要做一下如下操作：
         * 1、开启多路复用器
         * 2、开启服务通道
         * 3、设置为非阻塞
         * 4、绑定端口
         * 5、标记选择器状态为可接受，表示可以接受通道注册到选择器上。
         */
        private void init() {
            try {
                System.out.println("init......");
                //开启多路复用器
                selector = Selector.open();
                //开启通道
                ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
                //设置为非阻塞
                channel.configureBlocking(false);
                //绑定端口
                channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
                //标记选择器状态为可接受
                /**
                 * SelectionKey.OP_ACCEPT   —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
                 * SelectionKey.OP_CONNECT  —— 连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功
                 * SelectionKey.OP_READ     —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
                 * SelectionKey.OP_WRITE    —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）
                 */
                channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
                System.out.println("init finished......");
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        //定义启动方法。
    
        public static void main(String[] args) {
            ServerMain main = new ServerMain();
            main.init();
            main.process();
        }
    
        private void process(){
            //轮寻
            while(true){
                try {
                    //每隔两秒中就轮寻一次选择器。
                    Thread.sleep(2*1000);
                    //通道选中的个数，至少有一个通道被选中才会执行。
                    int count = selector.select();
                    System.out.println("channel count is "+count);
    
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    while(iterator.hasNext()){
                        //获取key
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        //从迭代器中取出这个key
                        iterator.remove();
                        new Thread(new Server(selector,key)).start();
                    }
    
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

在main 方法种做了两件事；初始化和创建子线程。

**初始化**

1、开启多路复用器
    2、开启服务通道
    3、设置为非阻塞
    4、绑定端口
    5、标记选择器状态为可接受，表示可以接受通道注册到选择器上。

**创建子线程**

1、每隔2s进行轮寻，从选择器中获取通道数量。
    2、获取选中的通道编号集合
    3、遍历
    4、从迭代器中删除当前key
    5、创建子线程

子线程才是真正进行 接收，读写操作的。我们创建一个Server 类如下：

public class Server extends Thread{
    
        //定义一个选择器
        private Selector selector;
    
        //定义读写缓冲区
        //定义读写缓冲区
        private ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
        private ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    
        private SelectionKey key;
    
        public Server(Selector selector,SelectionKey key){
            this.selector=selector;
            this.key=key;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                process();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    
        private void process() throws Exception {
            try{
                //判断key 是否有效
                if (key.isValid()) {
                    //如果可以接受
                    if (key.isAcceptable()) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"accept");
                        accept(key);
                    }
    
                    //如果可读
                    if(key.isReadable()){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"read");
                        read(key);
                    }
    
                    //如果可写
                    if(key.isWritable()){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"write");
                        write(key);
                    }
                }
            }catch (CancelledKeyException e){
                key.cancel();
            }
        }
    
        /**
         *给通道中写数据。从buffer 中给通道写数据。
         * @param key
         */
        private void write(SelectionKey key) throws IOException {
            writeBuffer.clear();
    
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    
            String message = channel.toString();
            //写入缓冲区
            writeBuffer.put(message.getBytes("UTF-8"));
            //重置缓存游标
            writeBuffer.flip();
            //从缓冲区写入通道
            channel.write(writeBuffer);
    
    
            //重新标记为可读
            channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
        }
    
        /**
         *使用通道读取数据。主要就是将通道中的数据读取到读缓存中。
         * @param key
         */
        private void read(SelectionKey key) throws IOException {
            readBuffer.clear();
    
            SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
    
            int len = channel.read(readBuffer);
    
            //如果通道没有数据
            if(len==-1){
                //关闭通道
                key.channel().close();
                //关闭key
                key.cancel();
                return;
            }
    
            //Buffer中有游标,游标不会重置,需要我们调用flip重置. 否则读取不一致
            readBuffer.flip();
            //创建有效字节长度数组
            byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
            //读取buffer中数据保存在字节数组
            readBuffer.get(bytes);
    
            String clientMessage = new String(bytes, "UTF-8");
            System.out.println("accepted client message are "+clientMessage);
    
            //注册通道,标记为写操作
            channel.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    
        /**
         *设置通道接受客户端数据，并设置通道为可读。
         * @param key
         */
        private void accept(SelectionKey key) throws IOException {
            //1.获取通道
            ServerSocketChannel socketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //阻塞方法，获取客户端的请求
            SocketChannel channel = socketChannel.accept();
    
            //设置为非阻塞
            channel.configureBlocking(false);
            //设置对应客户端的通道标记,设置次通道为可读时使用
            channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
        }
    
    }

这里设置了 读写缓存区，从父类中获取 选择器 和key 。通过key 判断当前通道的状态是可接收，可读还是可写。分别对应不用的方法。

可读操作，就是将 channel 中的数据读入到 buffer 中。

可写操作，将 buffer 中的数据读入到 channel 中，返回给客户端。

### 客户端 ###

客户端比较简单，主要做以下几件事，

1、开启一个通道

2、连接到服务器

3、向通道中写入数据

4、接收通道返回的数据。

我们写一个client 类。

public class Client extends Thread{
    
        private int index;
    
    
        public Client(int index){
            this.index=index;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            process(index);
        }
    
        public void process(int i) {
    
            InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(8080);
    
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            //开启通道
            try (SocketChannel channel = SocketChannel.open();){
                //连接到远程服务器
                channel.connect(inetSocketAddress);
    
                buffer.clear();
                String meaage = "client send message...."+i;
                //写入缓存中
                buffer.put(meaage.getBytes("UTF-8"));
                buffer.flip();
                //写入通道中
                channel.write(buffer);
    
                buffer.clear();
    
                //读取服务端的数据
                int len = channel.read(buffer);
                if(len==-1){
                    return;
                }
    
                buffer.flip();
                byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    
                buffer.get(bytes);
                String serverMessage = new String(bytes, "UTF-8");
                System.out.println(i+" accepted message "+serverMessage);
    
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
        }
    }

我们再来写一个主类，用来模拟生成度多个通道同时调用效果。

public class ClientMain {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            for(int i=0;i<10;i++){
                if(i%3==0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000*1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                new Client(i).start();
            }
    
        }
    }

### 测试 ###

好了，我们现在来启动测试下，先启动服务端。

![format_png 5][]

启动后，没有通道就会处于阻塞状态。

接着我们启动客户端。

![format_png 6][]  
这个时候，服务端就可以接收到通道，然后就两秒钟获取一次，进行操作。

客户端的收到的服务端返回的信息。

![format_png 7][]

## 总结 ##

感兴趣的小伙伴可以动手实践下，印象更深哟

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[format_png 1]: /images/20221123/4b5d21cbebe54ab1bab2a672f1ea1bef.png
[format_png 2]: /images/20221123/32c10137a4374796952f2a4a3cf7778a.png
[format_png 3]: /images/20221123/af45ef8344e749fda5cf35344093ebfc.png
[format_png 4]: /images/20221123/44ad81faa5ed448a89762c3b1181af7f.png
[format_png 5]: /images/20221123/540b0c4445ad4e57af220b78681f7576.png
[format_png 6]: /images/20221123/f7536dab59064a7486bef23fe16e923f.png
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