【Java】 BIO与NIO以及AIO分析

一.BIO与NIO以及AIO的概念

　　BIO是同步阻塞式的IO

　　NIO是同步非阻塞的IO （NIO1.0，JDK1.4）

　　AIO是非同步非阻塞的IO（NIO2.0，JDK1.7）

二.BIO简单分析

　　1.简单分析

　　　　BIO是阻塞的IO，原因在于accept和read会阻塞。所以单线程的BIO是无法处理并发的。

　　2.案例

　　　　服务端：

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {//在开发中不要直接抛出去，有可能出现异常导致连接未关闭
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));

        byte[] b = new byte[1024];
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        System.out.println("服务端正在等待连接......");
        Socket socketAccept = serverSocket.accept();//这里会阻塞
        System.out.println("有客户端连接成功");
        while (true){
            System.out.println("等待消息......");
            int read = socketAccept.getInputStream().read(b);//这里会阻塞
            System.out.println("共读取了"+read+"个字节");

            String str = new String(b);
            sb.append(str);
            System.out.println("读取的数据内容为: " + sb);

        }
    }
}

　　　　客户端：

public class BioClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket();
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
        while(true){
            System.out.println("请输入内容");
            String next = scanner.next();

            socket.getOutputStream().write(next.getBytes());
        }
    }
}

　　　　测试如下：

　　　　

　　3.多线程下的BIO

　　　　多线程的BIO是可以处理并发的，但频繁的创建线程，运行线程以及销毁线程无疑是非常消耗资源的（即便可以使用线程池限制线程数量，但海量并发时，BIO的方式效率相比于NIO还是太低了）

　　　　下面是一个多线程的BIO案例：

　　　　　　服务端：

public class BioServerMultiThread {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
        System.out.println("服务端正在等待连接......");

        while (true){
            Socket socketAccept = serverSocket.accept();//这里会阻塞
            System.out.println("有客户端连接成功");

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try{
                        System.out.println("等待消息......");
                        String msg = "";
                        while (true){
                            byte[] b = new byte[1024];
                            int len = socketAccept.getInputStream().read(b);
                            if (len < 0){
                                continue;
                            }
                            msg = new String(b,0,len);
                            System.out.println(msg);
                        }
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

　　　　　　客户端(创建多个客户端，代码相同)：

public class BioClient1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket();
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
        String className = "这是来自"+Thread.currentThread().getStackTrace()[1].getClassName()+"的消息";
        while(true){
            System.out.println("请输入内容");
            String next = scanner.next();
            socket.getOutputStream().write(className.getBytes());
            socket.getOutputStream().write(next.getBytes());
        }
    }
}

　　　　　　测试如下：

　　　　　　

三.NIO简单分析

　　NIO是非阻塞IO，其原因在于数据准备就绪后，由选择器通知给服务端，而在数据准备完毕之前，服务器无需等待。

　　1.缓冲区

　　　　在BIO操作中，所有的数据都是以流的形式操作的，而在NIO中，则都是使用缓冲区来操作。

　　　　NIO中的缓冲区是Buffer类，它是java.nio包下的一个抽象类，详情可以查看JDK的API文档，例如下图

　　　　

　　　　打开Buffer类，可以看到如下图（其中带有的方法可以查看JDK文档）

 　　　　

　　2.直接缓冲区和非直接缓冲区

　　　　直接缓冲区是指将缓冲区建立在物理内存中，通过allocateDirect方法建立（效率高，但不安全）

　　　　非直接缓冲区是指将缓冲区建立在JVM中，通过allocate方法建立（效率低，但安全）

　　3.管道

　　　　管道是NIO中传输数据的桥梁，它是java.nio包下的一个接口，若需查看其详细信息可以参考JDK的API文档，例如下图

　　　　

　　4.使用NIO实现文件拷贝两种方式案例

　　　　直接缓冲区的方式：

    @Test
    public void test1() throws IOException {
        long statTime=System.currentTimeMillis();
        //创建管道
        FileChannel   inChannel=    FileChannel.open(Paths.get("E://test/aaa.txt"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel   outChannel=    FileChannel.open(Paths.get("E://test/bbb.txt"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
        //定义映射文件
        MappedByteBuffer inMappedByte = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0, inChannel.size());
        MappedByteBuffer outMappedByte = outChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0, inChannel.size());
        //直接对缓冲区操作
        byte[] dsf=new byte[inMappedByte.limit()];
        inMappedByte.get(dsf);
        outMappedByte.put(dsf);
        inChannel.close();
        outChannel.close();
        long endTime=System.currentTimeMillis();
        System.out.println("操作直接缓冲区耗时时间:"+(endTime-statTime));
    }

　　　　非直接缓冲区的方式：

 @Test
    public void test2() throws IOException {
        long statTime=System.currentTimeMillis();
        // 读入流
        FileInputStream fst = new FileInputStream("E://test/bbb.txt");
        // 写入流
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("E://test/ccc.txt");
        // 创建通道
        FileChannel inChannel = fst.getChannel();
        FileChannel outChannel = fos.getChannel();
        // 分配指定大小缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        while (inChannel.read(buf) != -1) {
            // 开启读取模式
            buf.flip();
            // 将数据写入到通道中
            outChannel.write(buf);
            buf.clear();
        }
        // 关闭通道 、关闭连接
        inChannel.close();
        outChannel.close();
        fos.close();
        fst.close();
        long endTime=System.currentTimeMillis();
        System.out.println("操作非直接缓冲区耗时时间:"+(endTime-statTime));
    }

　　5.选择器(Selector)

　　　　它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接。使用Selector的好处在于： 使用更少的线程来就可以来处理通道了， 相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销。详细用法可以参考JDK的API文档

　　　　

　　　　NIO服务端实现同步非阻塞代码如下

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        ssc.configureBlocking(false);//设置成非阻塞模型
        System.out.println("server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress());
        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while(true) {
            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
            while(it.hasNext()) {
                SelectionKey key = it.next();
                it.remove();
                handle(key);
            }
        }
    }
    private static void handle(SelectionKey key) {
        if(key.isAcceptable()) {
            try {
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
            }
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel sc = null;
            try {
                sc = (SocketChannel)key.channel();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
                buffer.clear();
                int len = sc.read(buffer);
                if(len != -1) {
                    System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
                }

                ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
                sc.write(bufferToWrite);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if(sc != null) {
                    try {
                        sc.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

四.AIO简单分析

　　AIO（NIO2.0）和 NIO的主要区别是前者是异步的，而后者是同步的。（NIO每隔一段时间用Selector轮询查看是否有事件发生，而AIO是在等有事件发生的时候，Selector通知服务端）

　　同步：

　　　　所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。也就是事情必须一件一件地做,等前一件做完了才能做下一件事。

　　异步：

　　　　异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

　　 与NIO不同，当进行读写操作时，AIO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。

　　AIO服务端简单案例如下

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()
                .bind(new InetSocketAddress(8888));
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {
                serverChannel.accept(null, this);
                try {
                    System.out.println(client.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                            attachment.flip();
                            System.out.println(new String(attachment.array(), 0, result));
                            client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }
                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
    }
}