NIO阻塞模式和非阻塞模式

Leefs
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前言

SocketChannel方法介绍

  • 创建一个服务器对象

    ServerSocketChannel.open()
    • 服务器对象需要绑定ip和端口，使用bind(InetSocketAddress )方法，需要使用传入InetSocketAddress，只需传入一个端口号即可;
    • 服务器调用accept()方法获取客户端的连接请求;
    • 通过接收到的客户端连接对象read(buffer)方法获取客户端发送的消息。

  • 创建客户端

    SocketChannel.open()
    • 客户端使用connect(InetSocketAddress server)方法，连接对应的服务器;
    • 通过write(buffer)方法发送消息到连接的服务器

一、阻塞模式

1.1 概念

  • 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
    • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
    • SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
    • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
  • 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
  • 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
    • 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
    • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

1.2 代码演示

  • 服务端代码
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import static com.lilinchao.nio.util.ByteBufferUtil.debugRead;

/**
 * @author lilinchao
 * @date 2022/5/31
 * @description 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程  服务端
 **/
@Slf4j
public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建ByteBuffer缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        //1. 创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //2.绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        //3.连接集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        //循环接收客户端的连接
        while (true){
            //4. accept建立与客户端连接，SocketChannel 用来与客户端之间通信
            log.debug("connecting...");
            //阻塞方法，没有连接时，会阻塞线程
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            log.debug("connected... {}",sc);
            channels.add(sc);
            // 循环遍历集合中的连接
            for (SocketChannel channel : channels){
                // 处理通道中的数据
                // 当通道中没有数据可读时，会阻塞线程
                log.debug("befor read... {}",channel);
                channel.read(buffer);
                //切换到读模式
                buffer.flip();
                debugRead(buffer);
                //切换到写模式
                buffer.clear();
                log.debug("after read... {}",channel);
            }
        }

    }
}
  • 客户端代码
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;

/**
 * @author lilinchao
 * @date 2022/5/31
 * @description 1.0
 **/
public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        System.out.println("waiting...");
    }
}

1.3 结果分析

1、启动服务端程序

11.NIO之阻塞模式和非阻塞模式01.jpg

  • 当刚启动服务端程序时，会在accept()方法产生阻塞，等待客户端的连接。

客户端-服务器建立连接前，服务器端因accept阻塞

2、通过Debug模式启动客户端

11.NIO之阻塞模式和非阻塞模式02.jpg

  • 客户端在acccept()方法没有继续阻塞，向下运行；

  • 在read()方法等待读入数据，当客户端没有向服务器端发送数据时，会在此产生阻塞；

客户端-服务器建立连接后，客户端发送消息前，服务器端因通道为空被阻塞

3、客户端向服务端发送数据

  • 向服务端发送数据

11.NIO之阻塞模式和非阻塞模式03.jpg

sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello!"));
  • 控制台打印结果

11.NIO之阻塞模式和非阻塞模式04.jpg

客户端发送数据后，服务器处理通道中的数据。再次进入循环时，再次被accept阻塞

4、之前的客户端再次发送消息

服务器端因为被accept阻塞，无法处理之前客户端发送到通道中的信息，影响了整个程序的正常执行。

二、非阻塞模式

2.1 概念

  • 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
    • 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
    • SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
    • 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
  • 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu
  • 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）

2.2 代码演示

  • 服务端代码

    • 可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。

      此时若没有连接，accept会返回null

    • 可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。

      若此时通道中没有数据可读，read会返回-1

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import static com.lilinchao.nio.util.ByteBufferUtil.debugRead;

/**
 * @author lilinchao
 * @date 2022/5/31
 * @description 使用 nio 来理解非阻塞模式  服务端
 **/
@Slf4j
public class ServerDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建ByteBuffer缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        //1. 创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);   //非阻塞模式
        //2.绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        //3.连接集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        //循环接收客户端的连接
        while (true){
            //4. accept建立与客户端连接，SocketChannel 用来与客户端之间通信
            SocketChannel sc = ssc.accept();    //非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null
            if(sc != null){
                log.debug("connected... {}",sc);
                sc.configureBlocking(false);    //非阻塞模式
                channels.add(sc);
            }
            // 循环遍历集合中的连接
            for (SocketChannel channel : channels){
                //5. 接收客户端发送的数据
                int read = channel.read(buffer);
                if(read > 0){
                    //切换到读模式
                    buffer.flip();
                    debugRead(buffer);
                    //切换到写模式
                    buffer.clear();
                    log.debug("after read... {}",channel);
                }
            }
        }
    }
}
  • 客户端代码不变

该方法虽然可以解决阻塞模式下的问题，但是因为设置为了非阻塞，会一直执行while(true)中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不使用这种方法处理请求。

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