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02.netty入门（二） I、O模型

02.netty入门（二） I、O模型

I/O模型

I/O模型基本说明

  1. I/O模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。
  1. Java共支持3种网络编程模型I/O模式：BIO、NIO、AIO。
  1. Java BIO：同步并阻塞（传统阻塞型），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。
  1. Java NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。
  1. Java AIO（NIO.2）：异步非阻塞，AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才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（未得到广泛应用）

BIO、NIO、AIO适用场景分析

  1. 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，但程序简单易理解。
  1. 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，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
  1. AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参考并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

BIO介绍及分析

BIO基本介绍

  1. Java BIO 就是传统的Java IO编程，其相关的类和接口在java.io
  1. BIO（blocking I/O）：同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善。
  1. 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，但程序简单易理解。

BIO工作机制

工作原理图如下所示。


BIO编程简单流程：

  1. 服务器端启动一个ServerSocket；
  1. 客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户端建立一个线程与之通信；
  1. 客户端发出请求后，先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝；
  1. 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，才继续执行。

应用示例

实例说明：

（1）使用BIO模型编写一个服务器端，监听6666端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通信。

（2）要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。

（3）服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet 方式即可）。

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 线程池机制
        //思路
        //1.创建一个线程池
        //2.如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        // 创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了");
        while (true) {
            // 监听，等待客户端连接
            System.out.println("等待连接......");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            // 就创建一个线程，与之通信
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //可以和客户端通讯
                    handler(socket);
                }
            });
        }
    }

    //编写一个handler方法，和客户端通信
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + "， 名字：" + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            // 通过socket 获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            // 循环读取客户端发送的数据
            while (true) {
                System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + "， 名字：" + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("read..........");
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read, "utf-8"));
                } else {
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                System.out.println("关闭和client连接");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

使用telnet进行测试。

（1）cmd进入到命令行窗口，使用telnet进行连接

telnet 127.0.0.1 6666

（2）连接成功后，发送消息，使用快捷键 ctrl+]

BIO 问题分析

  1. 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据Read，业务处理，数据Write。
  1. 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
  1. 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在Read操作上，造成线程资源浪费。

NIO介绍及分析

NIO基本介绍

  1. NIO全称 non-blocking IO，是指JDK提供的新API。从JDK1.4开始，Java提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为NIO（即 New IO），是同步非阻塞的；
  1. NIO相关类都被放在java.nio包及子包下，并且对原java.io包中的很多类进行改写；
  1. NIO有三大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）；
  1. NIO是面向缓冲区，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
  1. Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。
  1. 通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来，根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
  1. HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。

NIO中Buffer的基本使用

public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 举例说明buffer的使用(简单说明)
        // 创建一个Buffer, 大小为5，即可以存放5个int
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
        // 向buffer中存放数据
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
            intBuffer.put(i * 2);
        }
        // 如何从buffer读取数据
        // 将buffer转换，读写切换
        intBuffer.flip();
        while (intBuffer.hasRemaining()){
            System.out.println(intBuffer.get());
        }
    }
}

NIO和BIO的比较

  1. BIO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据，块I/O的效率比流I/O高很多；
  1. BIO是阻塞的，NIO则是非阻塞的；
  1. BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel（通道）和Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

NIO三大核心原理示意图

Selector、Channel和Buffer的关系说明：

  1. 每个channel都会对应一个buffer；
  1. selector对应一个线程，一个线程对应多个channel（连接）；
  1. 上图反映了有3个channel注册到了该selector；
  1. 程序切换到哪个channel，是由事件决定的，Event就是一个重要的概念；
  1. selector会根据不同的事件，在各个通道上切换；
  1. buffer就是一个内存块，底层是有一个数组；
  1. 数据的读取写入是通过buffer，这个和BIO是不同的，BIO中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是NIO的buffer是可以读也可以写，需要flip方法切换；
  1. chennel是双向的，可以反映底层操作系统的情况，比如Linux，底层的操作系统通道就是双向的

来源：https://blog.csdn.net/zhufei463738313/article/details/129028618