一、Java BIO
1.基本介绍
- Java BIO 就是传统的 java io 编程，其相关的类和接口在 java.io 。
- 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(实现多个客户连接服务器)。
- 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，程序简单易理解。
2. Java BIO 工作机制
- 服务器端启动一个ServerSocket
- 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建立一个线程与之通讯
- 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
- 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行
3.BIO的问题
- 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 。
- 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。
- 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。
二、Java NIO
1.基本介绍
- Java NIO 全称 java 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
- 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。
- NIO有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)。
- 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，需要时可在缓冲区中前后
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。
- 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。
- 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。
- 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
2.Java NIO 核心原理
- 每个channel都会对应一个Buffer
- Selector对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)
- 该图反应了有三个channel注册到 该selector
- 程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event就是一个重要的概念
- Selector会根据不同的事件，在各个通道上切换
- Buffer就是一个内存块，底层是有一个数组
- 数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , 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channel是双向的, 可以返回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
1.缓冲区(Buffer)
1.简介
缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。
2.属性
| 属性 | 描述 |
|---|
| capacity | 容量，即可容纳的最大数据量，在缓冲区创建时被设定且不能改变 |
| limit | 表示缓冲区当前的终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作，极限位置可以修改 |
| position | 位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写数据会都改变的值，为下一次读写做准备 |
| mark | 标记 |
2.通道(Channel)
1.简介
- NIO 的通道类似于流，但有些区别如下:
- 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
- 通道可以实现异步读写数据
- 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲
- BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。
- Channel 在 NIO 中是一个接口public interface Channel extends Closeable{}
- 常用的Channel 类 有 ： FileChannel 、 DatagramChannel 、 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 。 (ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket)
- FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。
2.FileChannel 类
- FileChannel 主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有:
- public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
- public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
- public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
- public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道
3.Selector(选择器)
1.简介
- Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)。
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
- 只有在 连接/通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程。
- 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
2.特点说明
- Netty的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器，也叫多路复用器)，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
- 当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
- 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
- 由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
- 一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。
3.注意事项
- NIO中的 ServerSocketChannel 功能类似 ServerSocket，SocketChannel 功能类似 Socket
- selector相关方法说明:
- selector.select()//阻塞
- selector.select(1000);//阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回
- selector.wakeup();//唤醒
- selector selector.selectNow();//不阻塞，立马返回
4.案例
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
while (true) {
byteBuffer.clear();
int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
System.out.println("read =" + read);
if(read == -1) {
break;
}
byteBuffer.flip();
fileChannel02.write(byteBuffer);
}
fileInputStream.close();
fileOutputStream.close();
}
}
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg");
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg");
FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();
destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());
sourceCh.close();
destCh.close();
fileInputStream.close();
fileOutputStream.close();
}
}
三、Java AIO
1.基本介绍
- JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor 和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理
- AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。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
四、总结
1.BIO、NIO、AIO 对比
| BIO | NIO | AIO |
|---|
| IO模型 | 同步阻塞 | 同步非阻塞（多路复用） | 异步非阻塞 |
| 编程难度 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
| 可靠性 | 差 | 好 | 好 |
| 吞吐量 | 低 | 高 | 高 |
2.BIO、NIO、AIO 适用场景
- 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。
- 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。
- AIO 方式使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 参与并发操作， 编程比较复杂，JDK7 开始支持。
