理解BIO和NIO

淡淡的烟草味﹌ 2023-05-30 03:42 113阅读 0赞

一。单线程下的BIO实现

服务端：

public class Server { 
        public static void main(String[] args) { 
            byte[] buffer = new byte[1024];
    
            try { 
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
                System.out.println("服务器已启动并监听8080端口");
                while (true) { 
                    System.out.println();
                    System.out.println("服务器正在等待连接...");
                    // (1) 阻塞方法获取新的连接
                    Socket socket = serverSocket.accept();
    
                    System.out.println("服务器已接收到连接请求...");
                    System.out.println();
                    System.out.println("服务器正在等待数据...");
                     // (2) 阻塞读
                      // (3) 按字节流方式读取数据
                    socket.getInputStream().read(buffer);
                    System.out.println("服务器已经接收到数据");
                    System.out.println();
    
                    String content = new String(buffer);
                    System.out.println("接收到的数据:" + content);
                }
            } catch (IOException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
        }

客户端：

public class Client { 
        public static void main(String[] args) { 
    
            Socket socket = null;
            try { 
                socket = new Socket("127.0.0.1",8080);
                String message = "";
                Scanner sc = new Scanner(System.in);
                message = sc.next();
                socket.getOutputStream().write(message.getBytes());
                socket.close();
                sc.close();
    
            } catch (IOException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

场景1：启动server端，然后分别启动client1，client2，client3  
运行结果：  
启动服务端：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
然后启动client1 client2 client3，查看服务端控制台日志  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
分析结果现象：  
如图所示：服务端启动时，并监听端口8080，然后处于阻塞状态，等待客户端连接，当有客户端连接服务端时，服务端接受连接请求，然后等待客户端发送数据。最后客户端1 发送消息，服务端收到消息。从运行结果上来看，说明了服务器端有两个阻塞，一个是等待客户端连接阻塞，另一个就是读客户端数据阻塞。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
单线程下的BIO实现缺点：  
1.当服务器端收到客户端连接，但是没有收到客户端的发送数据请求，服务端读客户端数据read（）会一直阻塞，如果其他客户端在来请求是无法响应的。

二、多线程下的BIO实现  
场景，每次服务器读到客户端发来请求数据就开启一个线程读数据。

public class Server1 { 
        public static void main(String[] args) { 
            byte[] buffer = new byte[1024];
            try { 
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
                System.out.println("服务器已启动并监听8080端口");
                while (true) { 
                    System.out.println();
                    System.out.println("服务器正在等待连接...");
                    // (1) 阻塞方法获取新的连接
                    Socket socket = serverSocket.accept();
                    // (2) 每一个新的连接都创建一个线程，负责读取数据
                    new Thread(new Runnable() { 
                        @Override
                        public void run() { 
                            System.out.println("服务器已接收到连接请求...");
                            System.out.println();
                            System.out.println("服务器正在等待数据...");
                            try { 
                                // (3) 按字节流方式读取数据
                                socket.getInputStream().read(buffer);
                            } catch (IOException e) { 
                                e.printStackTrace();
                            }
                            System.out.println("服务器已经接收到数据");
                            System.out.println();
    
                            String content = new String(buffer);
                            System.out.println("接收到的数据:" + content);
                        }
                    }).start();
    
                }
            } catch (IOException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

缺点：多线程解决了无法并行读取客户端的数据，但是如果大量出现不发送数据的客户端，会导致很多的连接，连接多会导致服务器压力增大。所以如果出现不活跃的线程比较多，应该采用单线程的方案。但是单线程无法处理并发，于是有了NIO。  
NIO重要解决客户连接和读取数据阻塞问题的。

三、模拟NIO  
1.解决客户端连接和读取数据阻塞问题。

public class NioServer { 
        public static void main(String[] args)  throws InterruptedException{ 
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            try { 
                //Java为非阻塞设置的类
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
                //设置为非阻塞
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                while(true) { 
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    if(socketChannel==null) { 
                        //表示没人连接
                        System.out.println("正在等待客户端请求连接...");
                        Thread.sleep(5000);
                    }else { 
                        System.out.println("当前接收到客户端请求连接...");
                    }
                    if(socketChannel!=null) { 
                        //设置为非阻塞
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        byteBuffer.flip();//切换模式  写-->读
                        int effective = socketChannel.read(byteBuffer);
                        if(effective!=0) { 
                            String content = Charset.forName("utf-8").decode(byteBuffer).toString();
                            System.out.println(content);
                        }else { 
                            System.out.println("当前未收到客户端消息");
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
    
        }
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
分析运行结果：  
从结果上看，接受到客户端的请求，没有阻塞，但是又回到客户端等待请求，所以会导致丢失当前客户连接请求并丢失客户端发来的消息，怎么办呢？把当前客户请求存储到list上，然后轮询遍历list，验证客户端是否准备好消息，然后打印。如下代码：

public class NioServer1 { 
        public static void main(String[] args) { 
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            List<SocketChannel> socketList = new ArrayList();
    
            try { 
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
                //设置非阻塞
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                while (true){ 
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    if(socketChannel == null){ 
                        System.out.println("正在等待客户连接..");
                        try { 
                            Thread.sleep(5000);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }else { 
                        System.out.println("当前收到客户端的连接请求");
                        socketList.add(socketChannel);
                    }
                    socketList.forEach(s ->{ 
                            //设置非阻塞
                            try { 
                                s.configureBlocking(false);
                                int read = s.read(byteBuffer);
                                if(read != 0){ 
                                    byteBuffer.flip();//切换模式  写-->读
                                    String content = Charset.forName("utf-8").decode(byteBuffer).toString();
                                    System.out.println(content);
                                    byteBuffer.clear();
                                }else{ 
                                    System.out.println("当前未收到客户端消息");
                                }
                            } catch (IOException e) { 
                                e.printStackTrace();
                            }
                    });
    
                }
            } catch (IOException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
    
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
分析：如图代码所示，我们没有开启第二个线程，使用的是一个线程解决了并发处理客户端请求和发送消息，这样的模式可以很好的解决了BIO在单线程下的并发处理多个客户端的请求的问题，并且解决了非阻塞情况下客户端丢失的问题。  
缺点：在接受消息处理上是有问题的，每次来个客户端都要轮询判断数据是否准备好，假设有1000w个连接，甚至更多，采用这种轮询方式效率是低的。  
另外，1000w连接中，我们可能只会有100w会有消息，剩下的900w并不会发送任何消息，那么这些连接程序依旧要每次都去轮询，这显然是不合适的。怎么解决呢？将轮询那块代码使用操作系统级别的系统函数（select函数），主动的去感知有数据的socket。  
四、真实的NIO

/**
     * NIO 模型中 selector 的作用，
     * 一条连接来了之后，现在不创建一个 while 死循环去监听是否有数据可读了，
     * 而是直接把这条连接注册到 selector 上，
     * 然后，通过检查这个 selector，就可以批量监测出有数据可读的连接，进而读取数据，
     */
    public class NioServerSelector { 
        public static void main(String[] args) throws IOException{ 
            //使用selector 解决while的轮询问题，把所有的连接的注册到Selector上
            Selector serverSelector = Selector.open();
            Selector clientSelector = Selector.open();
    
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            new Thread(()->{ try { ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
                    serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                    serverSocketChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
                    while (true){ 
                        // 监测是否有新的连接，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                        if(serverSelector.select(1) > 0){ 
                            System.out.println("监测是否有新的连接， 当前收到客户端的连接请求..");
                            Set<SelectionKey> selectionKeys = serverSelector.selectedKeys();
                            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
                            while (keyIterator.hasNext()){ 
                                SelectionKey key = keyIterator.next();
                                if(key.isAcceptable()){ 
                                    try { 
                                        // (1) 每来一个新连接，不需要创建一个线程，而是直接注册到clientSelector
                                        SocketChannel clientChannel  = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                                        clientChannel.configureBlocking(false);
                                        clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                    }finally { 
                                        keyIterator.remove();
                                    }
                                }
                            }
                        }else { 
                            System.out.println("监测是否有新的连接， 正在等待客户端连接..");
                            try { 
                                Thread.sleep(5000);
                            } catch (InterruptedException e) { 
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    }
                } catch (IOException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
    
            new Thread(()->{ 
                try { 
                    ///(2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                    while (true){ 
                        try { 
                            Thread.sleep(5000);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println("批量轮询是否有哪些连接有数据可读");
                        if(clientSelector.select(1) > 0){ 
                            Set<SelectionKey> selectionKeys = clientSelector.selectedKeys();
                            Iterator<SelectionKey> keyIterator  = selectionKeys.iterator();
                            while (keyIterator .hasNext()){ 
                                SelectionKey key = keyIterator.next();
                                if(key.isReadable()){ 
                                    try { 
                                        SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
                                        // (3) 面向 Buffer
                                        channel.read(byteBuffer);
                                        byteBuffer.flip();
                                        System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer)
                                                .toString());
                                    } catch (IOException e) { 
                                        keyIterator.remove();
                                        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                        e.printStackTrace();
                                    }
                                }
                            }
    
                        }
    
                    }
                }catch (Exception e){ 
                    e.printStackTrace();
                }
    
            }).start();
        }
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191107091700420.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191107091813817.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191107092111743.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191107180428236.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191108090158652.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dmbG92ZWphdmE=,size_16,color_FFFFFF,t_70