Java编程中的IO模型详解：BIO，NIO，AIO的区别与实际应用场景分析

光芒软件工匠2024-01-08 9:35

IO 模型

IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java 共支持3种网络编程IO 模式：BIO , NIO , AIO

BIO(Blocking lO)

同步阻塞模型， 一个客户端连接对应一个处理线程

代码示例：

java 复制代码 
package com.tuling.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println(" 有客户端连接了。。");
            handler(clientSocket);

            /*new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();*/
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            socket.close();
        }
    }
}

缺点：

1、IO代码里read操作是阻塞操作 ，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞 ，浪费资源

2、如果线程很多 ，会导致服务器线程太多 ，压力太大 ，比如C10K问题

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。

NIO(Non Blocking 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 ，JDK1.4开始引入。

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

NIO非阻塞代码示例：

java 复制代码 
package com.tuling.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class NioServer {

    // 保存客户端连接
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞   
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 非阻塞模式accept方法不会阻塞
            // NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) { 
                // 如果有客户端进行连接
                System.out.println("连接成功");
                // 设置SocketChannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 保存客户端连接在List中
                channelList.add(socketChannel);
            }
            // 遍历连接进行数据读取
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                // 非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);
                // 如果有数据，把数据打印出来
                if (len > 0) {
                    System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) { 
                    // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

总结：如果连接数太多的话 ，会有大量的无效遍历 ，假如有10000个连接 ，其中只有1000个连接有写数据 ，但是由于其他9000个连接并 没有断开 ，我们还是要每次轮询遍历一万次 ，其中有十分之九的遍历都是无效的 ，这显然不是一个让人很满意的状态。

NIO引入多路复用器 代码示例：

java 复制代码 
package com.tuling.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));

        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);

        // 打开Selector处理Channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();

        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            // 遍历SelectionKey对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();

                // 如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);

                    // 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是OP_READ事件，则进行读取和打印
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);

                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);

                    // 如果有数据，把数据打印出来
                    if (len > 0) {
                        System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }

                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

NIO 有三大核心组件： Channel (通道) ， Buffer(缓冲区) ，Selector(多路复用器)

1、channel 类似于流 ，每个 channel 对应一个 buffer缓冲区 ，buffer 底层就是个数组

2、channel 会注册到 selector 上 ，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理 3、NIO 的 Buffer 和 channel 都是既可以读也可以写

总结 ：NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket ，获取到Socket的文件描述符 ，再创建一个Selector 对象 ，对应操作系统的Epoll描述符 ，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的Epoll文件描述符上 ，进 行事件的异步通知 ，这样就实现了使用一条线程 ，并且不需要太多的无效的遍历 ，将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断 程序实现) ，大大提高了效率。

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

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

AIO代码示例：

java 复制代码 
package com.tuling.aio;

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;

public class AIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
            AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {
                    System.out.println("2 - " + Thread.currentThread().getName());
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());

                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {

                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            System.out.println("3 - " + Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("1 - " + Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}
java 复制代码 
package com.tuling.aio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

public class AIOClient {
    public static void main(String... args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

BIO、 NIO、 AlO 对 比 ：

为什么 Netty 使用 NIO 而不是 AlO?

在Linux系统上， AlO的底层实现仍使用Epoll, 没有很好实现AlO, 因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易深度优 化，Linux上AlO 还不够成熟。Netty是异步非阻塞框 架 ，Netty在NIO 上做了很多异步的封装。

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