Java知识回顾 （9） 同步、异步IO

一、基本概念

同步和异步：

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。

同步指的是用户进程触发IO 操作并等待或者轮询的去查看IO 操作是否就绪；

而异步是指用户进程触发IO 操作以后便开始做自己的事情，而当IO 操作已经完成的时候会得到IO 完成的通知。

以银行取款为例：

同步 ： 自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步 IO 时，Java 自己处理IO 读写）；

异步 ： 委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO 时，Java 将 IO 读写委托给OS 处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS 需要支持异步IO操作API）；

阻塞和非阻塞：阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式。

阻塞方式下，读取或者写入函数将一直等待；

而非阻塞方式下，读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例：

阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；

非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

二、应用方式

2.1 BIO 编程

Blocking IO： 同步阻塞的编程方式。

BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为：

首先，在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求，客户端启动Socket发起网络请求。

默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求，如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接，在通讯过程中，是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下：

同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

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，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

使用线程池机制改善后的BIO模型图如下:

2.NIO 编程

Unblocking IO（New IO）： 同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题。NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。

也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是，当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面。所以，所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题

3.AIO编程

Asynchronous IO： 异步非阻塞的编程方式。

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel。

bio示例

server示例：

public class Server {

    public static void main(String[] args) {
        int port = genPort(args);
        
        ServerSocket server = null;
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50);
        
        try{
            server = new ServerSocket(port);
            System.out.println("server started!");
            while(true){
                Socket socket = server.accept();
                
                service.execute(new Handler(socket));
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(server != null){
                try {
                    server.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            server = null;
        }
    }
    
    static class Handler implements Runnable{
        Socket socket = null;
        public Handler(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }
        @Override
        public void run() {
            BufferedReader reader = null;
            PrintWriter writer = null;
            try{
                
                reader = new BufferedReader(
                        new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
                writer = new PrintWriter(
                        new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8"));
                String readMessage = null;
                while(true){
                    System.out.println("server reading... ");
                    if((readMessage = reader.readLine()) == null){
                        break;
                    }
                    System.out.println(readMessage);
                    writer.println("server recive : " + readMessage);
                    writer.flush();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally{
                if(socket != null){
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                socket = null;
                if(reader != null){
                    try {
                        reader.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                reader = null;
                if(writer != null){
                    writer.close();
                }
                writer = null;
            }
        }
        
    }
    
    private static int genPort(String[] args){
        if(args.length > 0){
            try{
                return Integer.parseInt(args[0]);
            }catch(NumberFormatException e){
                return 9999;
            }
        }else{
            return 9999;
        }
    }
    
}

2.client示例：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int port = 0;
        if(args.length > 2){
            host = args[0];
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }else{
            host = "127.0.0.1";
            port = 9999;
        }
        
        Socket socket = null;
        BufferedReader reader = null;
        PrintWriter writer = null;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        try{
            socket = new Socket(host, port);
            String message = null;
            
            reader = new BufferedReader(
                    new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));
            writer = new PrintWriter(
                    socket.getOutputStream(), true);
            while(true){
                message = s.nextLine();
                if(message.equals("exit")){
                    break;
                }
                writer.println(message);
                writer.flush();
                System.out.println(reader.readLine());
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(socket != null){
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            socket = null;
            if(reader != null){
                try {
                    reader.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            reader = null;
            if(writer != null){
                writer.close();
            }
            writer = null;
        }
    }