java 的三种IO模型（BIO、NIO、AIO）

java 的三种IO模型（BIO、NIO、AIO）

    • 一、BIO 阻塞式 IO（Blocking IO）
      • 1.1、BIO 工作机制
      • 1.2、BIO 实现单发单收
      • 1.3、BIO 实现多发多收
      • 1.4、BIO 实现客户端服务端多对一
      • 1.5、BIO 模式下的端口转发思想
    • 二、NIO 同步非阻塞式 IO（Non-blocking IO）
      • 2.1、NIO 3个核心组件（缓冲区、通道、选择器）
      • 2.2、NIO 主要特性
      • 2.3、NIO 与 BIO 的对比
      • 2.4、Buffer 常用子类
      • 2.5、Buffer 重要属性
    • 三、AIO 异步式 IO（Asynchronous IO）
      • 3.1、AIO 核心组件（异步通道、完成处理器）

一、BIO 阻塞式 IO（Blocking IO）

每个客户端连接都会在一个独立的线程中处理，并且这个线程在处理 IO 操作时会阻塞，直到操作完成。

  • 每个连接都需要一个独立的线程，连接数较多时，会消耗大量的内存和 CPU 资源
  • 线程在处理 IO 操作时会阻塞

1.1、BIO 工作机制

  • 客户端通过 Socket 对象与服务端建立连接，从 Socket 中得到字节输入流或输出流进行数据读写。
  • 服务端通过 ServerSocket 注册端口，调用 accept 方法监听客户端 Socket 请求，从 Socket 中得到字节输入流或输出流进行数据读写。

1.2、BIO 实现单发单收

客户端：

public static void main(String[] args) {Socket socket = null;try {//与服务端连接socket = new Socket("127.0.0.1", 5000);//从 socket 管道中获取字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//将字节输出流包装为打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);//发一行数据ps.println("Hi BIO! 与服务端通信成功");ps.flush();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

服务端：

 public static void main(String[] args) {System.out.println("===服务端启动===");ServerSocket serverSocket = null;try {//注册端口serverSocket = new ServerSocket(5000);//监听客户端请求Socket socket = serverSocket.accept();//从 socket 管道中获取字节输入流InputStream is = socket.getInputStream();//将字节输入流包装为缓冲字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;//读一行数据if ((msg = br.readLine()) != null) {System.out.println("服务端接收客户端信息为：" + msg);}}catch (Exception e){System.out.println(e.getMessage());}
}

1.3、BIO 实现多发多收

客户端：

public static void main(String[] args) {try {Socket socket = new Socket("localhost",9988);OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintStream ps = new PrintStream(os);Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true){System.out.println("请输入：");String input = scanner.nextLine();ps.println(input);ps.flush();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

服务端：

public static void main(String[] args) {System.out.println("===服务端启动===");try {ServerSocket ss = new ServerSocket(9988);Socket socket = ss.accept();InputStream is = socket.getInputStream();BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String message;while ((message = br.readLine()) != null){System.out.println("服务端接收客户端信息为：" + message);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

1.4、BIO 实现客户端服务端多对一

服务端：

public void listen() throws IOException {ServerSocket serverSocket = null;try {log.info("服务启动监听");serverSocket = new ServerSocket(9988);//循环接收到客户端的连接while (true) {Socket socket = serverSocket.accept();//得到连接后，开启一个线程处理连接handleSocket(socket);}} finally {if(serverSocket != null){serverSocket.close();}}
}private void handleSocket(Socket socket) {HandleSocket socketHandle = new HandleSocket(socket);new Thread(socketHandle).start();
}

public void run() {BufferedInputStream bufferedInputStream = null;BufferedOutputStream bufferedOutputStream  = null;try {bufferedInputStream = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());byte[] bytes = new byte[1024];int len ;if ((len = bufferedInputStream.read(bytes)) > -1) {String result = new String(bytes,0,len);System.out.println("本次接收到的结果：" + result);}System.out.println("回复信息给客户端：");bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());String outString = Thread.currentThread().getName() + "接收到了";bufferedOutputStream.write(outString.getBytes());bufferedOutputStream.flush();} catch (IOException e) {System.out.println("处理异常：" + e.getMessage());} finally {try {if (bufferedInputStream != null) {bufferedInputStream.close();}if (bufferedOutputStream != null) {bufferedOutputStream.close();}}catch (IOException e){System.out.println("关闭流异常：" + e.getMessage());}}
}

客户端：

public void start() throws IOException {Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8081);String msg = "Hi,This is the BioClient";BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());byte[] bytes = msg.getBytes();bufferedOutputStream.write(bytes);bufferedOutputStream.flush();System.out.println("发送完毕");BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());byte[] inBytes = new byte[1024];int len;if ((len = bufferedInputStream.read(inBytes)) != -1) {String result = new String(inBytes, 0, len);System.out.println("接收到的消息="+result);}bufferedOutputStream.close();bufferedInputStream.close();socket.close();
}

1.5、BIO 模式下的端口转发思想

一个客户端的消息经由服务端发送给所有的客户端，实现群聊功能。
在这里插入图片描述

public class Server {// 定义一个静态集合public static List<Socket> allSocketOnLine = new ArrayList();public static void main(String[] args) {try {ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);while (true){Socket socket = ss.accept();// 把登录的客户端socket存入到一个在线的集合中去allSocketOnLine.add(socket);// 为当前登录成功的socket分配一个独立的线程来处理new ServerReaderThread(socket).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));String msg;while ((msg = br.readLine()) != null) {// 发送给所有的在线socketsendMsgToAllClient(msg);}} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了");Server.allSocketOnLine.remove(socket);}}/*** 把当前客户端发来的消息发送给全部的在线socket* @param msg*/private void sendMsgToAllClient(String msg) throws IOException {for (Socket sk : Server.allSocketOnLine) {PrintWriter pw = new PrintWriter(sk.getOutputStream());pw.println(msg);pw.flush();}}}

二、NIO 同步非阻塞式 IO（Non-blocking IO）

允许线程在等待IO操作完成期间可以继续执行其他任务。

2.1、NIO 3个核心组件（缓冲区、通道、选择器）

缓冲区（Buffer）：用于存储数据的对象。数据从通道读取到缓冲区，或者从缓冲区写入到通道。

通道（Channel）：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道

选择器（Selector）：同时管理多个通道，通过注册通道的事件（如连接就绪、读就绪、写就绪），使用单个线程就能处理多个通道，从而管理多个网络连接，提高了效率。
在这里插入图片描述

2.2、NIO 主要特性

  • 非阻塞I/O：允许线程在等待IO操作完成期间可以继续执行其他任务
  • IO多路复用：通过选择器，NIO允许多个通道共用一个线程进行管理，减少了线程的资源消耗。
  • 异步IO操作：可以在通道上注册事件和回调函数，实现非阻塞的IO操作
  • 内存映射文件：将文件的一部分或全部直接映射到内存中，这样可以像访问内存一样访问文件，提高了文件处理的效率。
  • 文件锁定：允许对文件的部分或全部进行锁定，从而控制对文件的并发访问。

2.3、NIO 与 BIO 的对比

  • 面向流与面向缓冲：BIO 是面向流的，每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节；而 NIO 是面向缓冲区的。
  • 阻塞与非阻塞：BIO 的流是阻塞的，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或数据完全写入；而 NIO 是非阻塞的，一个线程从某通道发送请求读取数据，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。
  • 线程开销：BIO 为每个客户端连接创建一个线程，在大量并发连接的情况下会带来巨大的线程开销；NIO 通过选择器实现 I/O多路复用，在一个线程中处理多个通道，减少了线程开销。

2.4、Buffer 常用子类

  • ByteBuffer：用于存储字节数据；
  • CharBuffer：用于存储字符数据；
  • ShortBuffer：用于存储Short类型数据；
  • IntBuffer：用于存储Int类型数据；
  • LongBuffer：用于存储Long类型数据；
  • FloatBuffer：用于存储Float类型数据；
  • DoubleBuffer：用于存储Double类型数据；

2.5、Buffer 重要属性

  • capacity(容量)：表示 Buffer 所占的内存大小，不能为负且创建后不能更改
  • limit(限制)：表示 Buffer 中可以操作数据的大小，不能为负且不能大于 capacity
    写模式下，表示最多能往 Buffer 里写多少数据，即 limit 等于 capacity
    读模式下，表示最多能读到多少数据，即已写入的所有数据
  • position(位置)：表示下一个要读取或写入的数据的索引
    缓冲区位置不能为负，且不能大于其限制
    初始 position 值为 0，最大为 capacity – 1。当一个 byte、long 等数据写到 Buffer 后， position 会向前移动到下一个可插入数据的 Buffer 单元
  • mark(标记)：表示记录当前 position 的位置，可通过 reset() 恢复到 mark 的位置

三、AIO 异步式 IO（Asynchronous IO）

异步式IO操作不会阻塞线程，而是交由操作系统处理。完成后，操作系统会通知应用程序，或者应用程序主动查询完成状态。使线程在等待IO完成的同时可以执行其他任务，提高了系统的并发性能。

3.1、AIO 核心组件（异步通道、完成处理器）

  1. 异步通道（Asynchronous Channel）：AIO 中进行I/O操作的基础设施。
    AIO提供了多种异步通道：
    AsynchronousSocketChannel（异步套接字通道，支持面向连接的网络通信）AsynchronousServerSocketChannel（异步服务器套接字通道，支持异步服务器端套接字通信）AsynchronousFileChannel（异步文件通道，支持异步文件读写操作）

  2. 完成处理器（Completion Handler）：用于在I/O操作完成后处理结果的回调接口。
    完成处理器包含两个方法：
    completed(V result, A attachment) 在I/O操作成功完成时调用；
    failed(Throwable exc, A attachment) 在I/O操作失败时调用。

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