第二章 BIO与NIO

《netty权威指南》读书笔记

一、BIO

1、服务端程序：

package bio;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Date;

public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
        Socket clientSocket = null;
        while(true){
            clientSocket = serverSocket.accept();//如果没有客户端接入,主线程阻塞在这里
            new Thread(new ServerHandler(clientSocket)).start();
        }
        //finall关闭serverSocket
    }

}

class ServerHandler implements Runnable{
    private Socket clientSocket;

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

    @Override
    public void run() {
        try {
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.clientSocket.getInputStream()));
            PrintWriter writer = new PrintWriter(this.clientSocket.getOutputStream(), true);
            while(true){
                String body = reader.readLine();
                if (body==null){
                    break;
                }
                System.out.println(body);
                writer.println(new Date().toString() + "->" + body);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //finally关闭资源:流和socket
    }
}

• 服务端使用8081端口打开服务，不断接入客户端请求，每接入一个请求，都创建一个线程来处理这个请求。
• 处理逻辑：读取客户端传来的信息，之后想客户端写信息。

2、客户端程序：

package bio;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class BioClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 8081);
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
        PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
        writer.println("haha");
        String resp = reader.readLine();
        System.out.println(resp);
        //finall关闭serverSocket
    }
}

• 客户端创建socket去连接服务端，之后想服务端写信息，并且读取服务端传来的信息。

服务端阻塞的几个点：

• serverSocket.accept();//如果没有客户端接入,主线程阻塞在这里
• 输入流InputStream的read操作也会阻塞：直到“有数据可读”或者“可用数据读取完毕”或者“发生异常”
• 输出流OutputStream的write操作也会阻塞：直到“所有要发送的字节全部写入”或者“发生异常”

二、NIO

1、服务端程序

package 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;

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.configureBlocking(false);
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8083));//监听链接8082端口的客户端socket
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//将serverChannel注册到selector,并监听接受连接事件

        while (selector.select() > 0) {//该方法会发生阻塞,直到至少有一个事件"准备就绪"为止
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey sk = it.next();
                if (sk.isAcceptable()) {
                    SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();//相当于客户端三次握手
                    clientChannel.configureBlocking(false);
                    clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (sk.isReadable()) {
                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) sk.channel();
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    while (clientChannel.read(buf) > 0) {//将通道中的数据读到缓冲区,因为clientChannel已经是非阻塞的,所以这里的read是非阻塞的
                        buf.flip();//将缓冲区由写模式切换到读模式
                        byte[] bytes = new byte[buf.remaining()];
                        buf.get(bytes);//将缓冲区中的数据读取到bytes中
                        String body = new String(bytes, "UTF-8");
                        System.out.println("接收到来自客户端的信息:" + body);
                        buf.clear();
                    }
                }
                it.remove();
            }
        }
    }
}

• nio三组件：
  • Buffer：用于存取数据，最主要的是ByteBuffer
    • position：下一个将被操作的字节位置
    • limit：在写模式下表示可以进行写的字节数，在读模式下表示可以进行读的字节数
    • capacity：Buffer的大小
  • Channel：用于传输数据，与Buffer相互配合
  • Selector：多路复用器。轮询注册在其上的Channel，当发现某个或者多个Channel处于“就绪状态”后（有新的TCP链接接入、读、写事件），从阻塞状态返回就绪的Channel的SelectionKey集合，之后进行IO操作。
• selector.select()：阻塞，直到有“就绪事件”发生或抛出异常

2、客户端程序

package nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NioClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8083));//向服务端发出连接请求,服务端会通过accept()方法实现三次握手后,建立连接
        clientChannel.configureBlocking(false);
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//分配在JVM堆中:capacity=1024;position=0;limit=1024
//        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);//分配在堆外内存(物理内存)中
        buf.put("abcde".getBytes());//将数据写入缓冲区buf中:capacity=1024;position=5;limit=1024
        buf.flip();//将缓冲区从写模式切换到读模式:capacity=1024;position=0;limit=5
        clientChannel.write(buf);//将缓冲区的数据写入通道:capacity=1024;position=5;limit=5
        buf.clear();//清空缓冲区:capacity=1024;position=0;limit=1024
        clientChannel.close();
    }
}

附：ByteBuffer使用JVM堆内存和使用堆外内存的区别：（图片来自尚硅谷的NIO教程）

• 使用堆内存：
  • 应用程序将数据写入用户地址空间（JVM）中，之后将用户地址空间中的数据拷贝到内核地址空间（操作系统）
• 使用堆外内存：
  • 直接在物理内存开辟空间，应用程序直接将数据写入物理内存，之后操作系统将其写入硬盘 - “零拷贝”

三、BIO与NIO的比较

1、线程数

• BIO：一个客户端连接就要使用一个服务端线程来进行处理
  • 可能会有大量的想爱你成处于休眠状态，只是等待输入或输出（阻塞）
  • 为每个线程分配调用栈，大约1M，服务端内存吃紧
  • 即使服务端内存很大，线程数太大会导致线程上下文切换浪费大量时间
• NIO：一个服务端线程操作一个Selector，就可以处理成千上万的客户端连接

2、阻塞情况

• BIO：读、写、接受连接都会发生阻塞
• NIO：只有Selector.select()会阻塞，其实是等待Channel上的“就绪事件”

3、面向对象

• BIO：面向流
• NIO：面向Buffer

4、适合点

• BIO：如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合
• NIO：如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。

四、Reactor模型

主从模型：

• 主线程池：
  • 全部由NIO线程组成，使用线程池是因为担心性能问题
  • 接收客户端连接请求，可能包含认证
  • 接收到客户端的连接请求并处理完成（比如认证）后，将创建出来的SocketChannel（查看上边的NIOServer类）注册到次线程池的某一条NIO线程上，之后这条NIO线程进行IO操作。
• 次线程池：
  • 全部由NIO线程组成
  • 进行IO操作（编解码、业务逻辑等）