Java 3种IO模型，一次搞懂

た入场券 2024-03-22 15:02 99阅读 0赞

大家好，我是老三，上一节我们讨论了[Linux的五种IO模型][Linux_IO]，接下来，我们从Java语言层面，来看看对IO的实现。

在Java中，一共有三种IO模型，分别是`阻塞IO(BIO)`、`非阻塞IO(NIO)`和`异步IO(AIO)`。

![Linux五种IO模型和Java三种IO模型][Linux_IO_Java_IO]

### Java BIO ###

`Java BIO`就是Java的传统IO模型，对应了操作系统IO模型里的阻塞IO。

`Java BIO`相关的实现都位于`java.io`包下，其通信原理是客户端、服务端之间通过`Socket`套接字建立管道连接，然后从管道中获取对应的输入/输出流，最后利用输入/输出流对象实现发送/接收信息。

我们来看个Demo：

*  BioServer：

/**
     * @Author 三分恶
     * @Date 2023/4/30
     * @Description BIO服务端
     */
    public class BioServer {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            //定义一个ServerSocket服务端对象，并为其绑定端口号
            ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
            System.out.println("===========BIO服务端启动================");
            //对BIO来讲，每个Socket都需要一个Thread
            while (true) {
        
                //监听客户端Socket连接
                Socket socket = server.accept();
                new BioServerThread(socket).start();
            }
    
        }
    
        /**
         * BIO Server线程
         */
        static class BioServerThread extends Thread{
        
            //socket连接
            private Socket socket;
            public BioServerThread(Socket socket){
        
                this.socket=socket;
            }
    
            @Override
            public void run() {
        
                try {
        
                    //从socket中获取输入流
                    InputStream inputStream=socket.getInputStream();
                    //转换为
                    BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                    String msg;
                    //从Buffer中读取信息，如果读取到信息则输出
                    while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
        
                        System.out.println("收到客户端消息："+msg);
                    }
    
                    //从socket中获取输出流
                    OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
                    PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream);
                    //通过输出流对象向客户端传递信息
                    printStream.println("你好，吊毛！");
                    //清空输出流
                    printStream.flush();
                    //关闭socket
                    socket.shutdownOutput();
                } catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

*  BioClient

/**
     * @Author 三分恶
     * @Date 2023/4/30
     * @Description BIO客户端
     */
    public class BioClient {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            List<String> names= Arrays.asList("帅哥","靓仔","坤坤");
            //通过循环创建多个多个client
            for (String name:names){
        
                //创建socket并根据IP地址与端口连接服务端
                Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888);
                System.out.println("===========BIO客户端启动================");
                //从socket中获取字节输出流
                OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();
                //通过输出流向服务端传递信息
                String hello="你好，"+name+"!";
                outputStream.write(hello.getBytes());
                //清空流，关闭socket输出
                outputStream.flush();
                socket.shutdownOutput();
    
                //从socket中获取字节输入流
                InputStream inputStream=socket.getInputStream();
                BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                //读取服务端消息
                String msg;
                while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){
        
                    System.out.println("收到服务端消息："+msg);
                }
                inputStream.close();
                outputStream.close();
                socket.close();
            }
        }
    }

*  先启动`BioServer`，再启动`BioClient`，运行结果

===========BIO服务端启动================
    收到客户端消息：你好，帅哥!
    收到客户端消息：你好，靓仔!
    收到客户端消息：你好，坤坤!

===========BIO客户端启动================
    收到服务端消息：你好，吊毛！
    ===========BIO客户端启动================
    收到服务端消息：你好，吊毛！
    ===========BIO客户端启动================
    收到服务端消息：你好，吊毛！

在上述`Java-BIO`的通信过程中，如果客户端一直没有发送消息过来，服务端则会一直等待下去，从而服务端陷入阻塞状态。同理，由于客户端也一直在等待服务端的消息，如果服务端一直未响应消息回来，客户端也会陷入阻塞状态。

在`BioServer`定义了一个类`BioServerThread`，继承了`Thread`类，`run`方法里主要是通过socket和流来读取客户端的消息，以及发送消息给客户端，每处理一个客户端的Socket连接，就得新建一个线程。

同时，IO读写操作也是阻塞的，如果客户端一直没有发送消息过来，线程就会进入阻塞状态，一直等待下去。

在`BioClient`里，循环创建`Socket`，向服务端收发消息，客户端的读写也是阻塞的。

在这个Demo里就体现了BIO的两个特点：

*  一个客户端连接对应一个处理线程
 *  读写操作都是阻塞的

![Java BIO][]

毫无疑问，不管是创建太多线程，还是阻塞读写，都会浪费服务器的资源。

### Java NIO ###

那么我们就进入Java的下一种IO模型——`Java NIO`，它对应操作系统IO模型中的多路复用IO，底层采用了`epoll`实现。

`Java-NIO`则是`JDK1.4`中新引入的`API`，它在`BIO`功能的基础上实现了非阻塞式的特性，其所有实现都位于`java.nio`包下。`NIO`是一种基于通道、面向缓冲区的`IO`操作，相较`BIO`而言，它能够更为高效的对数据进行读写操作，同时与原先的`BIO`使用方式也大有不同。

我们还是先来看个Demo：

*  NioServer

/**
     * @Author 三分恶
     * @Date 2023/4/30
     * @Description NIO服务端
     */
    public class NioServer {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            //创建一个选择器selector
            Selector selector= Selector.open();
            //创建serverSocketChannel
            ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
            //绑定端口
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
            //必须得设置成非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            //将channel注册到selector并设置监听事件为ACCEPT
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("===========NIO服务端启动============");
            while(true){
        
                //超时等待
                if(selector.select(1000)==0){
        
                    System.out.println("===========NIO服务端超时等待============");
                    continue;
                }
                // 有客户端请求被轮询监听到，获取返回的SelectionKey集合
                Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator();
                //迭代器遍历SelectionKey集合
                while (iterator.hasNext()){
        
                    SelectionKey key=iterator.next();
                    // 判断是否为ACCEPT事件
                    if (key.isAcceptable()){
        
                        // 处理接收请求事件
                        SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                        //非阻塞模式
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 注册到Selector并设置监听事件为READ
                        socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                        System.out.println("成功连接客户端");
                    }
                    //判断是否为READ事件
                    if (key.isReadable()){
        
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
    
                        try {
        
                            // 获取以前设置的附件对象，如果没有则新建一个
                            ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                            if (buffer == null) {
        
                                buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                key.attach(buffer);
                            }
                            // 清空缓冲区
                            buffer.clear();
                            // 将通道中的数据读到缓冲区
                            int len = socketChannel.read(buffer);
                            if (len > 0) {
        
                                buffer.flip();
                                String message = new String(buffer.array(), 0, len);
                                System.out.println("收到客户端消息：" + message);
                            } else if (len < 0) {
        
                                // 接收到-1，表示连接已关闭
                                key.cancel();
                                socketChannel.close();
                                continue;
                            }
                            // 注册写事件，下次向客户端发送消息
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                        } catch (IOException e) {
        
                            // 取消SelectionKey并关闭对应的SocketChannel
                            key.cancel();
                            socketChannel.close();
                        }
                    }
                    //判断是否为WRITE事件
                    if (key.isWritable()){
        
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        //获取buffer
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        String hello = "你好，坤坤！";
                        //清空buffer
                        buffer.clear();
                        //buffer中写入消息
                        buffer.put(hello.getBytes());
                        buffer.flip();
                        //向channel中写入消息
                        socketChannel.write(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("向客户端发送消息：" + hello);
                        // 设置下次读写操作，向 Selector 进行注册
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                    }
                    // 移除本次处理的SelectionKey,防止重复处理
                    iterator.remove();
                }
            }
    
        }
    }

*  NioClient

public class NioClient {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            // 创建SocketChannel并指定ip地址和端口号
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
            System.out.println("==============NIO客户端启动================");
            // 非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
            String hello="你好，靓仔！";
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes());
            // 向通道中写入数据
            socketChannel.write(buffer);
            System.out.println("发送消息：" + hello);
            buffer.clear();
            // 将channel注册到Selector并监听READ事件
            socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer);
            while (true) {
        
                // 读取服务端数据
                if (socketChannel.read(buffer) > 0) {
        
                    buffer.flip();
                    String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit());
                    System.out.println("收到服务端消息：" + msg);
                    break;
                }
            }
            // 关闭输入流
            socketChannel.shutdownInput();
            // 关闭SocketChannel连接
            socketChannel.close();
        }
    }

*  先运行NioServer，再运行NioClient，运行结果：

===========NIO服务端启动============
    ===========NIO服务端超时等待============
    ===========NIO服务端超时等待============
    成功连接客户端
    收到客户端消息：你好，靓仔！
    向客户端发送消息：你好，坤坤！

==============NIO客户端启动================
    发送消息：你好，靓仔！
    收到服务端消息：你好，坤坤！

我们在这个案例里实现了一个比较简单的Java NIO 客户端服务端通信，里面有两个小的点需要注意，注册到选择器上的通道都必须要为非阻塞模型，同时通过缓冲区传输数据时，必须要调用`flip()`方法切换为读取模式。

![代码流程示意图][c09a6b58a82545328a770437ec148a13.png]

Java-NIO中有三个核心概念：**`Buffer`（缓冲区）、`Channel`（通道）、`Selector`（选择器）**。

![Java NIO][]

*  每个客户端连连接本质上对应着一个`Channel`通道，每个通道都有自己的`Buffer`缓冲区来进行读写，这些`Channel`被`Selector`选择器管理调度
 *  `Selector`负责轮询所有已注册的`Channel`，监听到有事件发生，才提交给服务端线程处理，服务端线程不需要做任何阻塞等待，直接在`Buffer`里处理`Channel`事件的数据即可，处理完马上结束，或返回线程池供其他客户端事件继续使用。
 *  通过`Selector`，服务端的一个`Thread`就可以处理多个客户端的请求
 *  Buffer（缓冲区）就是饭店用来存放食材的储藏室，当服务员点餐时，需要从储藏室中取出食材进行制作。
 *  Channel（通道）是用于传输数据的车道，就像饭店里的上菜窗口，可以快速把点好的菜品送到客人的桌上。
 *  Selector（选择器）就是大堂经理，负责协调服务员、厨师和客人的配合和沟通，以保证整个就餐过程的效率和顺畅。

### Java AIO ###

`Java-AIO`也被成为`NIO2`，它是在`NIO`的基础上，引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字的实现。

![异步通道的实现体系][49a8c990592f4999b77bb4e2b832e326.png]

它们的主要区别就在于这个异步通道，见名知意：使用异步通道去进行`IO`操作时，所有操作都为异步非阻塞的，当调用`read()/write()/accept()/connect()`方法时，本质上都会交由操作系统去完成，比如要接收一个客户端的数据时，操作系统会先将通道中可读的数据先传入`read()`回调方法指定的缓冲区中，然后再主动通知Java程序去处理。

我们还是先来看个Demo：

*  AioServer

/**
     * @Author 三分恶
     * @Date 2023/5/1
     * @Description AIO服务端
     */
    public class AioServer {
        
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            // 创建异步通道组，处理IO事件
            AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
            //创建异步服务器Socket通道，并绑定端口
            AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888));
            System.out.println("=============AIO服务端启动=========");
    
            // 异步等待接收客户端连接
            server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
        
                // 创建ByteBuffer
                final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
        
                    System.out.println("客户端连接成功");
                    try {
        
                        buffer.clear();
                        // 异步读取客户端发送的消息
                        channel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
        
                            @Override
                            public void completed(Integer len, Object attachment) {
        
                                buffer.flip();
                                String message = new String(buffer.array(), 0, len);
                                System.out.println("收到客户端消息：" + message);
    
                                // 异步发送消息给客户端
                                channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好，阿坤！").getBytes()), null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
        
                                    @Override
                                    public void completed(Integer result, Object attachment) {
        
                                        // 关闭输出流
                                        try {
        
                                            channel.shutdownOutput();
                                        } catch (IOException e) {
        
                                            e.printStackTrace();
                                        }
                                    }
    
                                    @Override
                                    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                                        exc.printStackTrace();
                                        try {
        
                                            channel.close();
                                        } catch (IOException e) {
        
                                            e.printStackTrace();
                                        }
                                    }
                                });
                            }
    
                            @Override
                            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                                exc.printStackTrace();
                                try {
        
                                    channel.close();
                                } catch (IOException e) {
        
                                    e.printStackTrace();
                                }
                            }
                        });
                    } catch (Exception e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 继续异步等待接收客户端连接
                    server.accept(null, this);
                }
    
                @Override
                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                    exc.printStackTrace();
                    // 继续异步等待接收客户端连接
                    server.accept(null, this);
                }
            });
            // 等待所有连接都处理完毕
            group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
        }
    
    }

*  AioClient

/**
     * @Author 三分恶
     * @Date 2023/5/1
     * @Description AIO客户端
     */
    public class AioClient {
        
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            // 创建异步Socket通道
            AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
            // 异步连接服务器
            client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler<Void, Object>() {
        
                // 创建ByteBuffer
                final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好，靓仔！").getBytes());
    
                @Override
                public void completed(Void result, Object attachment) {
        
                    // 异步发送消息给服务器
                    client.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
        
                        // 创建ByteBuffer
                        final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
                        @Override
                        public void completed(Integer result, Object attachment) {
        
                            readBuffer.clear();
                            // 异步读取服务器发送的消息
                            client.read(readBuffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
        
                                @Override
                                public void completed(Integer result, Object attachment) {
        
                                    readBuffer.flip();
                                    String msg = new String(readBuffer.array(), 0, result);
                                    System.out.println("收到服务端消息：" + msg);
                                }
    
                                @Override
                                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                                    exc.printStackTrace();
                                    try {
        
                                        client.close();
                                    } catch (IOException e) {
        
                                        e.printStackTrace();
                                    }
                                }
                            });
                        }
    
                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                            exc.printStackTrace();
                            try {
        
                                client.close();
                            } catch (IOException e) {
        
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    });
                }
    
                @Override
                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
                    exc.printStackTrace();
                    try {
        
                        client.close();
                    } catch (IOException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            // 等待连接处理完毕
            Thread.sleep(1000);
            // 关闭输入流和Socket通道
            client.shutdownInput();
            client.close();
        }
    }

*  看下运行结果

=============AIO服务端启动=========
    客户端连接成功
    收到客户端消息：你好，靓仔！

收到服务端消息：你好，阿坤！

可以看到，所有的操作都是异步进行，通过`completed`接收异步回调，通过`failed`接收错误回调。

而且我们发现，相较于之前的`NIO`而言，`AIO`其中少了`Selector`选择器这个核心组件，选择器在`NIO`中充当了协调者的角色。

但在`Java-AIO`中，类似的角色直接由操作系统担当，而且不是采用轮询的方式监听`IO`事件，而是采用一种类似于“订阅-通知”的模式。

![Java AIO简图][Java AIO]

在`AIO`中，所有创建的通道都会直接在`OS`上注册监听，当出现`IO`请求时，会先由操作系统接收、准备、拷贝好数据，然后再通知监听对应通道的程序处理数据。

`Java-AIO`这种异步非阻塞式`IO`也是由操作系统进行支持的，在`Windows`系统中提供了一种异步`IO`技术：`IOCP(I/O Completion Port`，所以`Windows`下的`Java-AIO`则是依赖于这种机制实现。不过在`Linux`系统中由于没有这种异步`IO`技术，所以`Java-AIO`在`Linux`环境中使用的还是`epoll`这种多路复用技术进行模拟实现的。

因为Linux的异步IO技术实际上不太成熟，所以`Java-AIO`的实际应用并不是太多，比如大名鼎鼎的网络通信框架`Netty`就没有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代码层面，自行实现异步。

### 小结 ###

那么这期我们就快速过了一下Java的三种IO机制，它们的特点，我们直接看下图：

![Java三种IO模型][Java_IO]

我们也发现，虽然`Java-NIO`、`Java-AIO`，在性能上比`Java-BIO`要强很多，但是可以看到，写法上一个比一个难搞，不过好在基本也没人直接用`Java-NIO`、`Java-AIO`，如果要进行网络通信，一般都会采用`Netty`，它对原生的`Java-NIO`进行了封装优化，接下来，我们会继续走近`Netty`，敬请期待。

--------------------

**参考：**

\[1\].《Netty权威指南》

\[2\].https://juejin.cn/post/7130952602350534693\#heading-14

\[3\].https://www.jianshu.com/p/670033e5b916

[Linux_IO]: https://mp.weixin.qq.com/s/LYbJxorhsyoWWtP6OR6-eQ
[Linux_IO_Java_IO]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/b8bc58c1ba7f41c8987c8a94665cdbe8.png
[Java BIO]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/7c64a874d64e4839a01b40bd47254e93.png
[c09a6b58a82545328a770437ec148a13.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/5f7a649ae673452fa930391ba030dbe0.png
[Java NIO]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/286331fa1cef4173a3643094d2e18182.png
[49a8c990592f4999b77bb4e2b832e326.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/bebd6fffb4b040698b0ecde31e321ece.png
[Java AIO]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/3d13bfbaa83942f4b8c59aa1a3a15773.png
[Java_IO]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/a7bea48802d843458343571e839b34df.png