Java详解之I/O[BIO、NIO、AIO使用方法和示范代码]

goTsHgo2023-11-22 21:43

前言：

小弟能力不足，认知有限，难免考虑不全面，希望大佬能给出更好的建议，指出存在的问题和不足，在此跪谢。

IO发展史

Java中对于I/O能力的支持主要分为三个比较关键的阶段：

BIO

第一个阶段是起步阶段JDK1.0 ~ JDK1.3,这个阶段JDK是处于BIO阶段的，也就是同步阻塞模式，该阶段的类库还非常的初级，对系统层面的一些网络编程的API都没有进行实现，因此这个阶段的很多大型应用服务器都采用C或者C++语言来进行开发的，因为C或者C++可以直接调用操作系统提供的非阻塞I/O能力；

NIO

第二个阶段从JDK1.4开始的，从JDK1.4开始，Java新增了java.nio的包，正式支持的NIO，提供了许多非阻塞I/O开发的API和类库；

AIO

第三个阶段是从JDK1.7开始的，这一次是对原来的NIO类库进行了升级，官方称为NIO 2.0，该版本不但强化了原来的基于I/O多路复用模型的NIO模式，同时新增了异步的AIO功能，所以也有很多人称之为AIO。

各个IO介绍

BIO

在Java中，BIO（Blocking I/O）指的是阻塞式I/O，是一种基本的I/O模型。它的实现原理相对简单，但在高并发场景下性能较差。下面我将详细介绍BIO的实现原理。

  1. 阻塞式I/O ：

    在BIO中，当一个线程在进行I/O操作时，如果数据没有准备好，该线程会被阻塞，直到数据准备好并被读取或写入。这意味着一个线程只能处理一个连接，如果有大量连接同时到来，就需要大量线程来处理，这会导致资源消耗过大。

  2. 实现原理：

    • 服务端：服务端通过ServerSocket监听客户端的连接请求。当有连接请求到来时，服务端会创建一个新的线程来处理该连接。
    • 客户端：客户端通过Socket向服务端发起连接请求。一旦连接建立，客户端和服务端之间可以进行数据的读取和写入。

  3. 服务端示例代码：

    思路：在服务端的代码中，我们创建了一个固定大小的线程池，用于处理客户端的连接请求。每当有客户端连接时，就会将连接交给线程池中的一个线程来处理，这样可以提高并发处理能力。同时，我们定义了一个ClientHandler类来处理客户端的请求，这样可以更好地组织代码逻辑。

    这样的设计可以更好地满足企业级生产环境的要求，提高了系统的并发处理能力和稳定性。当然你还可以加入日志打印，更好的排查问题，但是因为这种已经过时，所以只是简单示例。

    java 复制代码 
    import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 创建一个固定大小的线程池

        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8080);
            System.out.println("Server started. Waiting for client...");

            while (true) {
                // 等待客户端连接
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("Client connected: " + clientSocket.getRemoteSocketAddress());

                // 使用线程池处理客户端请求
                executor.execute(new ClientHandler(clientSocket));
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (serverSocket != null) {
                    serverSocket.close();
                }
                executor.shutdown(); // 关闭线程池
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static class ClientHandler implements Runnable {
        private Socket clientSocket;

        public ClientHandler(Socket clientSocket) {
            this.clientSocket = clientSocket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获取输入流
                BufferedReader input = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                // 获取输出流
                PrintWriter output = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

                // 读取客户端发送的数据
                String clientMessage = input.readLine();
                System.out.println("Received from client: " + clientMessage);

                // 向客户端发送数据
                output.println("Hello, client!");

                // 关闭流和连接
                input.close();
                output.close();
                clientSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

  4. 客户端实例代码实现：

    java 复制代码 
    import java.io.*;
import java.net.*;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        try {
            socket = new Socket("localhost", 8080);
            System.out.println("Connected to server.");

            // 获取输入流
            BufferedReader input = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            // 获取输出流
            PrintWriter output = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

            // 向服务端发送数据
            output.println("Hello, server!");

            // 读取服务端发送的数据
            String serverMessage = input.readLine();
            System.out.println("Received from server: " + serverMessage);

            // 关闭流和连接
            input.close();
            output.close();
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (socket != null) {
                    socket.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

  5. 适用场景 ：

    BIO适用于连接数较少且吞吐量要求不高的场景，例如传统的Socket通信应用。

  6. 局限性 ：

    由于BIO的阻塞特性，它在高并发场景下表现较差，因为大量线程会因为I/O阻塞而处于等待状态，导致资源浪费。

总的来说，BIO是一种简单直观的I/O模型，但在高并发场景下存在性能瓶颈。随着业务的发展，通常会选择更高效的NIO（Non-blocking I/O）或者AIO（Asynchronous I/O）来替代BIO。

NIO

在Java中，NIO（New I/O）是一种非阻塞I/O模型，相比于传统的BIO（Blocking I/O），NIO具有更高的并发处理能力。下面我将详细介绍NIO的实现原理。

  1. 非阻塞I/O ：

    NIO的核心是非阻塞I/O，它允许一个线程处理多个连接，当一个连接上的I/O操作不可立即完成时，线程可以去处理其他连接，而不是被阻塞。

  2. 核心组件：

    • 通道（Channel）：用于读取和写入数据，可以是文件、套接字等。
    • 缓冲区（Buffer）：用于临时存储数据，读取数据到缓冲区或将缓冲区中的数据写入通道。
    • 选择器（Selector）：用于监听多个通道的事件，例如连接就绪、读就绪、写就绪等。

  3. 实现原理：

    • 服务端：服务端通过ServerSocketChannel监听连接请求，一旦有连接到来，会将该连接注册到Selector上，并监听连接就绪事件。
    • 客户端：客户端通过SocketChannel向服务端发起连接请求，连接建立后也会注册到Selector上。

  4. NIO服务器端示例代码：

    实现思路：

    在以下代码中，我们引入了日志打印服务，使用了Java自带的Logger类来记录日志。同时，我们使用了线程池来处理客户端的连接请求和数据读写操作，以提高并发处理能力。对于各种可能遇到的问题，比如连接超时、网络异常、数据读写异常等，我们在相应的位置进行了异常处理，并记录了相应的日志，以便于排查和解决问题。

    这样的设计更加符合企业级生产规范，提高了系统的并发处理能力和稳定性，并且对各种异常情况进行了处理，使得系统更加健壮可靠。

    java 复制代码 
    import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.logging.Logger;

public class NIOServer {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(NIOServer.class.getName());
    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

                while (keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
                    keyIterator.remove();

                    if (key.isAcceptable()) {
                        executor.execute(() -> handleAccept(key, selector));
                    } else if (key.isReadable()) {
                        executor.execute(() -> handleRead(key));
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            logger.severe("Error in NIO server: " + e.getMessage());
        }
    }

    private static void handleAccept(SelectionKey key, Selector selector) {
        try {
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel clientChannel = serverSocketChannel.accept();
            clientChannel.configureBlocking(false);
            clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } catch (IOException e) {
            logger.severe("Error in handleAccept: " + e.getMessage());
        }
    }

    private static void handleRead(SelectionKey key) {
        try {
            SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = clientChannel.read(buffer);
            if (bytesRead == -1) {
                clientChannel.close();
                key.cancel();
            } else if (bytesRead > 0) {
                buffer.flip();
                byte[] data = new byte[bytesRead];
                buffer.get(data);
                logger.info("Received from client: " + new String(data));
                // 可以在这里处理接收到的数据
            }
        } catch (IOException e) {
            logger.severe("Error in handleRead: " + e.getMessage());
        }
    }
}

  5. NIO客户端的代码：

    java 复制代码 
    import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.logging.Logger;

public class NIOClient {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(NIOClient.class.getName());
    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                // 等待连接完成
            }

            executor.execute(() -> {
                try {
                    String message = "Hello, server!";
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());
                    socketChannel.write(buffer);

                    buffer.clear();
                    int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
                    if (bytesRead > 0) {
                        buffer.flip();
                        byte[] data = new byte[bytesRead];
                        buffer.get(data);
                        logger.info("Received from server: " + new String(data));
                        // 可以在这里处理接收到的数据
                    }
                } catch (IOException e) {
                    logger.severe("Error in NIO client: " + e.getMessage());
                } finally {
                    try {
                        socketChannel.close();
                    } catch (IOException e) {
                        logger.severe("Error in closing socket channel: " + e.getMessage());
                    }
                }
            });
        } catch (IOException e) {
            logger.severe("Error in NIO client: " + e.getMessage());
        }
    }
}

  6. 适用场景 ：

    NIO适用于高并发的网络应用，例如Web服务器、聊天服务器等，能够更高效地处理大量连接。

总的来说，NIO通过Selector、Channel和Buffer的组合，实现了非阻塞I/O，提高了系统的并发处理能力。然而，NIO编程相对复杂，需要处理事件的就绪状态，因此在实际应用中通常会使用NIO框架或者基于NIO的高级框架，如Netty。

AIO

在Java中，AIO（Asynchronous I/O）是一种基于事件和回调机制的I/O模型，相比于传统的BIO（Blocking I/O）和NIO（Non-blocking I/O），AIO更加适用于处理大量并发连接。下面我将详细介绍AIO的实现原理。

  1. 异步I/O ：

    AIO的核心是异步I/O，它允许一个线程在等待数据就绪的同时继续做其他事情，当数据就绪后通过回调机制来处理数据。这种模型相比于NIO更加灵活，因为不需要手动检查就绪状态，而是通过事件通知来处理。

  2. 核心组件：

    • 异步通道（AsynchronousChannel）：用于进行异步I/O操作，包括文件和套接字等。
    • 异步操作结果（AsynchronousResult）：用于存储异步操作的结果，可以通过回调方式获取结果。
    • 异步处理器（AsynchronousHandler）：用于处理异步操作完成后的回调。

  3. 实现原理：

    • 服务端：服务端通过AsynchronousServerSocketChannel监听连接请求，一旦有连接到来，会调用accept方法，并通过回调方式处理连接就绪事件。
    • 客户端：客户端通过AsynchronousSocketChannel向服务端发起连接请求，连接建立后也可以通过回调方式处理后续的读写操作。

  4. 简单的AIO服务器示例代码 ：

    实现思路：针对企业级生产环境中高可用的通信需求，以下是一个更完善的AIO服务端和客户端的Java代码。该代码考虑了各种可能遇到的问题，并给出了切实可行的异常解决方案。同时，引入了日志打印服务，使用了Java自带的Logger类来记录日志，并使用了线程池来处理客户端的连接请求和数据读写操作，以提高并发处理能力。

    java 复制代码 
    import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.logging.Logger;

public class AIOServer {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(AIOServer.class.getName());
    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));

            serverSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Void attachment) {
                    serverSocketChannel.accept(null, this); // 接受下一个连接
                    executor.execute(() -> handleRead(clientChannel));
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                    logger.severe("Error in accepting connection: " + exc.getMessage());
                }
            });

            // 阻止主线程退出
            Thread.currentThread().join();
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            logger.severe("Error in AIO server: " + e.getMessage());
        }
    }

    private static void handleRead(AsynchronousSocketChannel clientChannel) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        clientChannel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
            @Override
            public void completed(Integer bytesRead, Void attachment) {
                if (bytesRead == -1) {
                    try {
                        clientChannel.close();
                    } catch (IOException e) {
                        logger.severe("Error in closing client channel: " + e.getMessage());
                    }
                    return;
                }

                buffer.flip();
                byte[] data = new byte[bytesRead];
                buffer.get(data);
                logger.info("Received from client: " + new String(data));
                // 可以在这里处理接收到的数据

                buffer.clear();
                clientChannel.read(buffer, null, this); // 继续读取数据
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                logger.severe("Error in reading from client: " + exc.getMessage());
            }
        });
    }
}

  5. 简单的AIO客户端示例代码：

    java 复制代码 
    import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.logging.Logger;

public class AIOClient {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(AIOClient.class.getName());
    private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) {
        try {
            AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080), null, new CompletionHandler<Void, Void>() {
                @Override
                public void completed(Void result, Void attachment) {
                    String message = "Hello, server!";
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());
                    socketChannel.write(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer bytesWritten, Void attachment) {
                            if (buffer.hasRemaining()) {
                                socketChannel.write(buffer, null, this); // 继续写入数据
                            } else {
                                buffer.clear();
                                socketChannel.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
                                    @Override
                                    public void completed(Integer bytesRead, Void attachment) {
                                        buffer.flip();
                                        byte[] data = new byte[bytesRead];
                                        buffer.get(data);
                                        logger.info("Received from server: " + new String(data));
                                        // 可以在这里处理接收到的数据
                                    }

                                    @Override
                                    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                                        logger.severe("Error in reading from server: " + exc.getMessage());
                                    }
                                });
                            }
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                            logger.severe("Error in writing to server: " + exc.getMessage());
                        }
                    });
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                    logger.severe("Error in connecting to server: " + exc.getMessage());
                }
            });

            // 阻止主线程退出
            Thread.currentThread().join();
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            logger.severe("Error in AIO client: " + e.getMessage());
        }
    }
}

  6. 适用场景 ：

    AIO适用于需要处理大量并发连接且对性能要求较高的场景，例如高性能的网络服务器、金融交易系统等。

总的来说，AIO通过异步I/O和事件回调机制，实现了高效的并发处理能力，相比于NIO更加灵活和高效。然而，AIO在Java中的实现相对较新，需要较高的技术要求，因此在实际应用中通常会使用成熟的AIO框架或者基于AIO的高级框架。

在Java中，有一些成熟的AIO框架或者基于AIO的高级框架，它们提供了更加便捷和高效的异步I/O编程方式。以下是一些常用的框架：

  1. Netty ：

    Netty是一个基于NIO的高性能网络通信框架，但它也提供了对AIO的支持。Netty的异步事件驱动模型和高度可定制的架构使得它成为构建高性能、可扩展的网络应用程序的理想选择。Netty提供了丰富的功能，包括TCP/UDP传输、HTTP编解码、WebSocket支持等，广泛应用于网络服务器、分布式系统等领域。

  2. Grizzly ：

    Grizzly是一个基于NIO的高性能网络框架，它提供了对AIO的支持，并且具有高度可扩展性和灵活性。Grizzly可以用于构建高性能的Web服务器、应用服务器等网络应用。

  3. Apache MINA ：

    Apache MINA是一个基于NIO的网络应用框架，它提供了对AIO的支持，并且具有良好的扩展性和灵活性。MINA可以用于构建各种类型的网络应用，包括游戏服务器、即时通讯服务器等。

这些框架都提供了对AIO的封装和抽象，简化了异步I/O编程的复杂性，同时提供了丰富的功能和高性能的网络通信能力。在实际应用中，选择合适的框架取决于具体的需求和项目背景，但无论选择哪个框架，都可以极大地简化异步I/O编程的复杂性，提高开发效率和系统性能。

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