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彤哥说netty系列之Java BIO NIO AIO进化史

先说两个事

(1)上周五的那篇文章发重复了,是定时任务设置错误导致,给大家带来干扰,这里说声抱歉。

(2)之前的问卷调查结果出来了,认为先讲案例的票数较多,所以后面的文章都是先讲案例,再以案例展开讲解组件。

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。

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;                    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quitConnection 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。

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。

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                    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quitConnection 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。

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。

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        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quitConnection 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?

本文分享自微信公众号 - 彤哥读源码(gh_63d1b83b9e01),作者:丹卿

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-11-19

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