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3. 彤哥说netty系列之Java BIO NIO AIO进化史

2019-11-18 46热度

nio

你好,我是彤哥,本篇是netty系列的第三篇。

欢迎来我的公从号彤哥读源码系统地学习源码&架构的知识。

简介

上一章我们介绍了IO的五种模型,实际上Java只支持其中的三种,即BIO/NIO/AIO。

本文将介绍Java中这三种IO的进化史,并从使用的角度剖析它们背后的故事。

Java BIO

BIO概念解析

BIO,Blocking IO,阻塞IO,它是Java的上古产品,自出生就有的东西(JDK 1.0)。

使用BIO则数据准备和数据从内核空间拷贝到用户空间两个阶段都是阻塞的。

blocking-io

BIO使用案例

public class EchoServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080); while (true) { System.out.println("start accept"); Socket socket = serverSocket.accept(); System.out.println("new conn: " + socket.getRemoteSocketAddress()); new Thread(()->{ try { BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); String msg; // 读取消息,本文来源公从号彤哥读源码 while ((msg = reader.readLine()) != null) { if (msg.equalsIgnoreCase("quit")) { reader.close(); socket.close(); break; } else { System.out.println("receive msg: " + msg); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); } } } 

客户端可以使用telnet来测试,而且你可以使用多个telnet来测试:

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080 Connecting to 127.0.0.1:8080... Connection established. To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'. hello world 我是人才 quit Connection closed by foreign host. 

BIO的使用方式非常简单,服务端接收到一个连接就启动一个线程来处理这个连接的所有请求。

bio_nio_aio

所以,BIO最大的缺点就是浪费资源,只能处理少量的连接,线程数随着连接数线性增加,连接越多线程越多,直到抗不住。

Java NIO

NIO概念解析

NIO,New IO,JDK1.4开始支持,内部是基于多路复用的IO模型。

multiplexing-io

这里有个歧义,很多人认为Java的NIO是Non-Blocking IO的缩写,其实并不是。

使用NIO则多条连接的数据准备阶段会阻塞在select上,数据从内核空间拷贝到用户空间依然是阻塞的。

因为第一阶段并不是连接本身处于阻塞阶段,所以通常来说NIO也可以看作是同步非阻塞IO。

NIO使用案例

public class EchoServer { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080)); serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 将accept事件绑定到selector上 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { // 阻塞在select上 selector.select(); Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); // 遍历selectKeys Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); // 如果是accept事件 if (selectionKey.isAcceptable()) { ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel(); SocketChannel socketChannel = ssc.accept(); System.out.println("accept new conn: " + socketChannel.getRemoteAddress()); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { // 如果是读取事件,本文来源公从号彤哥读源码 SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 将数据读入到buffer中 int length = socketChannel.read(buffer); if (length > 0) { buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()]; // 将数据读入到byte数组中 buffer.get(bytes); // 换行符会跟着消息一起传过来 String content = new String(bytes, "UTF-8").replace("\r\n", ""); if (content.equalsIgnoreCase("quit")) { selectionKey.cancel(); socketChannel.close(); } else { System.out.println("receive msg: " + content); } } } iterator.remove(); } } } } 

这里同样使用telnet测试,而且你可以使用多个telnet来测试:

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080 Connecting to 127.0.0.1:8080... Connection established. To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'. hello world 我是人才 quit Connection closed by foreign host. 

NIO的使用方式就有点复杂了,但是一个线程就可以处理很多连接。

首先,需要注册一个ServerSocketChannel并把它注册到selector上并监听accept事件,然后accept到连接后会获取到SocketChannel,同样把SocketChannel也注册到selector上,但是监听的是read事件。

bio_nio_aio

NIO最大的优点,就是一个线程就可以处理大量的连接,缺点是不适合处理阻塞性任务,因为阻塞性任务会把这个线程占有着,其它连接的请求将得不到及时处理。

Java AIO

AIO概念介绍

AIO,Asynchronous IO,异步IO,JDK1.7开始支持,算是一种比较完美的IO,Windows下比较成熟,但Linux下还不太成熟。

asynchronous-io

使用异步IO则会在请求时立即返回,并在数据已准备且已拷贝到用户空间后进行回调处理,两个阶段都不会阻塞。

AIO使用案例

public class EchoServer { public static void main(String[] args) throws IOException { AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080)); // 监听accept事件,本文来源公从号彤哥读源码 serverSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) { try { System.out.println("accept new conn: " + socketChannel.getRemoteAddress()); // 再次监听accept事件 serverSocketChannel.accept(null, this); // 消息的处理 while (true) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 将数据读入到buffer中 Future<Integer> future = socketChannel.read(buffer); if (future.get() > 0) { buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()]; // 将数据读入到byte数组中 buffer.get(bytes); String content = new String(bytes, "UTF-8"); // 换行符会当成另一条消息传过来 if (content.equals("\r\n")) { continue; } if (content.equalsIgnoreCase("quit")) { socketChannel.close(); break; } else { System.out.println("receive msg: " + content); } } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { System.out.println("failed"); } }); // 阻塞住主线程 System.in.read(); } } 

这里同样使用telnet测试,而且你可以使用多个telnet来测试:

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080 Connecting to 127.0.0.1:8080... Connection established. To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'. hello world 我是人才 quit Connection closed by foreign host. 

AIO的使用方式不算太复杂,默认会启一组线程来处理用户的请求,而且如果在处理阻塞性任务,还会自动增加新的线程来处理其它连接的任务。

首先,创建一个AsynchronousServerSocketChannel并调用其accept方法,这一步相当于监听了accept事件,在收到accept事件后会获取到AsynchronousSocketChannel,然后就可以在回调方法completed()里面读取数据了,当然也要继续监听accept事件。

AIO最大的优点,就是少量的线程就可以处理大量的连接,而且可以处理阻塞性任务,但不能大量阻塞,否则线程数量会膨胀。

槽点

(1)三种IO的实现方式中对于换行符的处理竟然都不一样,BIO中不会把换行符带过来(其实是带过来了,因为用了readLine()方法,所以换行符没了),NIO中会把换行符加在消息末尾,AIO中会把换行符当成一条新的消息传过来,很神奇,为啥不统一处理呢,也很疑惑。

(2)JDK自带的ByteBuffer是一个难用的东西。

总结

本文我们从概念和使用两个角度分别介绍了BIO/NIO/AIO三种IO模型。

问题

看起来JDK的实现似乎很完美啊,为什么还会有Netty呢?

最后,也欢迎来我的公从号彤哥读源码系统地学习源码&架构的知识。

code

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