【Netty】BIO，NIO，AIO 模型

怼烎@ 2023-09-29 13:55 16阅读 0赞

#### 目录 ####

*  一、输入IO与输出IO原理
 *  二、同步和异步的区别
 *  三、阻塞与非阻塞的区别
 *   *  1. BIO客户端
     *  2. BIO服务端
 *  四、NIO(Non Blocking IO) 同步非阻塞
 *   *  1. 简单模拟NIO底层代码实现
     *  2. 选择器IO多路复用底层原理

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## 一、输入IO与输出IO原理 ##

**内核态**: CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡；

**用户态**: (独立创建应用程序) 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获  
![在这里插入图片描述][a8d253d665d44eefa03c1ce782b4e708.png]  
1、BIO(Blocking I O) 同步阻塞模型，一个线程对应一个客户端连接。  
应用场景：  
BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构， 这种方式对服务器资源要求比较高， 但程序简单易理解。

2、NIO(Non Blockin g IO) 同步非阻塞，  
服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，客户端发送的连接请求都会注册到 多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理。  
应用场景：  
NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作） 的架构， 比如聊天服务器， 弹幕系统， 服务器间通讯，编程比较复杂， JDK1.4 开始支持

3、AIO(NIO 2.0) 异步非阻塞，  
由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理， 一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。是在NIO的基础上进一步封装的。  
应用场景：  
AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作） 的架构，JDK7 开始支持

## 二、同步和异步的区别 ##

同步也就是程序从上往下实现执行；  
异步从新开启一个新分支，相互不会影响；

站在Http协议上分析同步与异步区别：

我们的Http协议请求默认情况下同步形式调用，如果调用过程非常耗时的情况下 客户端等待时间就非常长， 这种形式我们可以理解阻塞式；

解决办法：耗时的代码我们可以使用多线程或者MQ实现处理，但是不能立马获取结果； 客户端可以主动查询  
![在这里插入图片描述][b88457143cda431e85fda6ce1ba85998.png]  
![在这里插入图片描述][0448c025b9f54a0c938065b25f6bec37.png]

## 三、阻塞与非阻塞的区别 ##

阻塞：如果我没有获取到结果的情况下，当前线程从运行状态切换为阻塞状态 内核角度分析：用户空间切换到内核空间  
非阻塞：如果我没有获取到结果的情况下，当前的线程不会阻塞。

![在这里插入图片描述][82268f08f01d4f678f8755c717a2e946.png]  
BIO(Blocking IO) 同步阻塞模型  
一个线程处理一个客户端请求；  
缺点：  
1、 IO代码里read操作是阻塞操作，如果获取不到数据的情况下，则会阻塞；  
如果线程使用过多的情况下，非常消耗服务器端cpu的资源；  
应用场景：  
BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构， 这种方式对服务器资源要求比较高  
![在这里插入图片描述][108348de665b4e81957f9954b20884f7.png]

### 1. BIO客户端 ###

import java.io.IOException;
    import java.net.Socket;
    
    /***
     * SocketBioClient
     */
    public class SocketBioClient {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9001);
            //向服务端发送数据
            socket.getOutputStream().write("来演示下同步阻塞Bio".getBytes());
            socket.getOutputStream().flush();
            System.out.println("向服务端发送数据结束");
            byte[] bytes = new byte[1024];
            //接收服务端回传的数据
            socket.getInputStream().read(bytes);
            System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
            socket.close();
        }
    }

### 2. BIO服务端 ###

import java.io.IOException;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    
    public class SocketBioServer {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
    
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9001);
            while (true) {
        
                System.out.println("服务器端正在等待连接中...");
                // 阻塞方法 如果没有客户端与服务器端建立连接时，该方法会阻塞等待
                final Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("有客户端和我连接啦");
                //如果不使用异步线程处理接受io操作的情况下，有可能会阻塞等待 无法接受新的连接请求。
                new Thread(() -> {
        
                    try {
        
                        handler(socket);
                    } catch (IOException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
    //            handler(socket);
            }
        }
    
        private static void handler(Socket socket) throws IOException {
        
            System.out.println("线程id= " + Thread.currentThread().getId());
            byte[] bytes = new byte[1024];
    
            System.out.println("开始read。。");
            //接收客户端的数据，如果没有读取到客户端数据时，该方法也会阻塞
            int read = socket.getInputStream().read(bytes);
            System.out.println("read结束");
            if (read != -1) {
        
                System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
                System.out.println("线程id= = " + Thread.currentThread().getId());
    
            }
            socket.getOutputStream().write("效果演示完毕~~".getBytes());
            socket.getOutputStream().flush();
        }
    }

## 四、NIO(Non Blocking IO) 同步非阻塞 ##

NIO同步非阻塞的原理：多个客户端发送连接请求注册到（多路复用器）selector中，  
多路复用器使用轮训机制实现检测每个io请求有数据就进行处理。  
底层实现原理：  
I/O多路复用底层一般用的Linux API（select，poll，epoll）来实现  
![在这里插入图片描述][9c92cc5399b44d0d98871fee7ea8eaf4.png]  
NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(选择器)

1.Channel(通道) :称之为通道，和IO相连，通信双方进行数据交流的通道，需要和buffer结合使用。  
2.Buffer(缓冲区) :对数据的读取/写入需要使用buffer，buffer本质就是一个数组。  
3.Selector(选择器): IO多路复用 一个线程Thread使用选择器Selector通过轮询的方式去监听多个通道Channel上的事件，从而让一个线程可以处理多个事件。

### 1. 简单模拟NIO底层代码实现 ###

import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.nio.charset.Charset;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    /**
     * 模拟伪装nio底层原理
     * SocketNioTcpServer
     */
    public class SimulationNioTcpServer {
        
    
        /**
         * 保存SocketChannel
         */
        private static List<SocketChannel> listSocketChannel = new ArrayList<>();
        /**
         * 缓冲区大小
         */
        private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
    
        public static void main(String[] args) {
        
            try {
        
                // 1.创建一个ServerSocketChannel
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                // 2. 绑定地址
                ServerSocketChannel bind = serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
                // 3.设置非阻塞模式
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                while (true) {
        
                    // 4.等待建立连接  如果设置非阻塞的情况下，如果没有获取连接的情况下直接返回null，如果建立连接之后返回socketChannel
                    // 建立三次握手
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 5. 如果socketChannel 不为空的情况下，则将该连接保存起来。
                    if (socketChannel != null) {
        
                        // 设置该socketChannel通道为fasle
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        listSocketChannel.add(socketChannel);
                    }
                    // 循环SocketChannel,检查每个SocketChannel中数据有传输数据
                    for (SocketChannel scl : listSocketChannel) {
        
                        try {
        
                            // 6.以缓冲区方式读取
                            int read = scl.read(byteBuffer);
                            if (read > 0) {
        
                                byteBuffer.flip();
                                // 转换格式为中文的格式
                                Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
                                String receiveText = charset.newDecoder().decode
                                        (byteBuffer.asReadOnlyBuffer()).toString();
                                System.out.println("receiveText:" + receiveText);
                            }
                        } catch (Exception e) {
        
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

### 2. 选择器IO多路复用底层原理 ###

IO多路复用 一个线程Thread使用选择器Selector通过轮询的方式去监听多个通道Channel上的事件，从而让一个线程可以处理多个事件。

I/O多路复用底层一般用的Linux API（select，poll，epoll）来实现  
![在这里插入图片描述][c6050b4fac80478da9860af98325a1e9.png]

1.  使用select的情况下，底层采用该数组方式存放 每次调用遍历的时间复杂度就是为O(n),有可能会产生空轮训，比如 保存1万个连接，最终只有1个连接有传输数据。
2.  使用poll底层采用链表结构存放，每次调用遍历的时间复杂度就是为O(n)  
    Poll与select之间区别不是很大；select监视器单个进程可监视的fd数量被限制  
    可以通过cat /proc/sys/fs/file-max， poll 是没有监视的fd数量限制。  
    Linux服务器中创建Socket服务器端 单个select进程可监事的fd（连接数据）限制
3.  epoll采用事件通知回调方式，避免空轮休时间复杂度为o(1);

`注意：windows操作系统是没有epoll，只有linux系统才有epoll`

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