深入理解Java三种IO模式和Epoll模型

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IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java共支持3种网络编程IO模式：BIO，NIO，AIO

一、BIO(Blocking IO )

同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程

深入理解Java三种IO模式和Epoll模型插图

1、BIO代码示例

1）服务器代码

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.logging.Handler;
 
public class SocketServer {
 
    public static void main(String[] args) throws  Exception {
 
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true){
            System.out.println("等待连接");
            //阻塞连接
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接。。。");
//            handle(clientSocket);
 
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handle(clientSocket);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
 
    public  static void handle(Socket clientSocket) throws  Exception{
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read 完毕。");
        if (read !=-1){
            System.out.println("接收到客户端数据：" + new String(bytes,0,read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("helloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}

2）客户端代码

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
 
public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        socket.close();
    }
}

2、缺点

从上面的代码我们可以看出来，BIO代码中连接事件和读写数据事件都是阻塞的，所以这种模式的缺点非常的明显

  • 1. 如果我们连接完成以后，不做读写数据操作会导致线程阻塞，浪费资源
  • 2. 如果每来一个连接我们都需要启动一个线程处理，那么会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K;

3、应用场景

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，但是程序比较简单。

二、NIO(Non Blocking IO)

同步非阻塞模型，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求连接，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器（selector）上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1.4开始引入。

1、没有引入多路复用器的代码

1）示例

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.Iterator;
import java.util.List;
 
public class NioServer {
 
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建NIO
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //设置非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务启动。。");
        while (true) {
            //非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞
            //NIO的非阻塞模式是由操作系统内部实现，底层调用了Linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) {
                System.out.println("连接成功");
                //设置socketchannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                //保存客户端连接到list
                channelList.add(socketChannel);
            }
            //遍历连接读数据
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                //非阻塞模式read 方式不会阻塞 否则会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);
                if (len > 0) {
                    System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) { // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

2）缺点

如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有10000个连接，其中只有1000个 连接有写数据，但是 由于其他9000个连接并没有断开看我们还是每次轮询遍历一万次，其中有 十分之一的遍历都是无效的，这显然是一个非常浪费资源的做法。

2、NIO引入多路复用器的代码

1）示例

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.security.Key;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
 
public class NioSelectorServer {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
 
        //创建NIO ServerSocketChannle
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9000));
        //设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        //打开Selector处理channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        //把ServerSocketChannel注册selector上，并且select对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务启动");
        //
        while (true) {
            //阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();
            //获取selector中注册的全部事件的SelectionKey实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            //遍历selectionKeys对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                //如果是accept事件，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) {
                    //进行数据读取
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据，把数据打印出来
                    if (len > 0) {
                        System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

上面代码是利用NIO一个线程处理所有请求，这种单个线程处理的方式肯定是存在问题的，例如现在有10w个请求中，有1w个连接进行读写数据，那么SelectionKey就会有1w个请求，所以我们需要循环这1w个事件进行处理，比较费时间，如果这个时候再有连接进来，只能阻塞。

3、NIO有三大核心组件

NIO有三大核心组件：Channel(通道)，Buffer(缓冲区）Selector(多路复用器)

  • 1. channel 类似流，每个channel对应一个buffer缓冲区，buffer底层是个数组。
  • 2. channel会注册到selector上，由selector根据channel的读写事件发生将其交由某个空闲的线程处理
  • 3. NIO的Buffer和channel都是既可以读又可以写的
深入理解Java三种IO模式和Epoll模型插图2

NIO底层在JDK1.4版本是用linux的内核函数select()或poll()来实现，跟上面的NioServer代码类似，selector每次都会轮询所有的sockchannel看下哪个channel有读写事件，有的话就处理，没有就继续遍历，JDK1.5开始引入了epoll基于事件响应机制来优化NIO。

4、示例

举个例子：例如我们去酒吧喝酒，在吧台坐下了20个人，中间一个服务员，select()或者poll()模式就是，服务员每次都是询问这个20个人是否需要喝酒，而epoll模型则是，20个人谁需要喝酒谁就举手，服务员每次只处理举手的那几个人即可。

NioSelectorServer 代码里如下几个方法非常重要，我们从Hotspot与Linux内核函数级别来理解下

Selector.open()  //创建多路复用器
 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)  //将channel注册到多路复用器上
selector.select()  //阻塞等待需要处理的事件发生
深入理解Java三种IO模式和Epoll模型插图4

5、总结

NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket，获取Socket文件描述符，再创建一个Selector对象，对应操作系统的Epoll描述符，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用一条线程，并且不需要太多的无效遍历，将事件处理交给了操作系统内核（操作系统的终端程序），大大提高了效率。

6、Epoll函数详解

int epoll_create(int size);

创建一个epoll实例，并返回一个非负数作为文件描述符，用于对epoll接口的所有后续调用。参数size代表可能会容纳size个描述符，但size不是一个最大值，只是提示操作系统它的数量级，现在这个参数基本上已经弃用了。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

使用文件描述符epfd引用epoll实例，对目标文件描述符fs执行op操作。参数epfd表示epoll对应的文件描述符，参数fd表示socket对应的文件描述符。

1）参数op有以下几个值

  • EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中，并关联事件event；
  • EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
  • EPOLL_CTL_DEL：从epfd中移除fd，并且忽略掉绑定的event，这时event可以为null；

2）参数event是一个结构体

struct epoll_event {
      __uint32_t   events;      /* Epoll events */      epoll_data_t data;        /* User data variable */  };
  
  typedef union epoll_data {
      void        *ptr;
      int          fd;
      __uint32_t   u32;
      __uint64_t   u64;
  } epoll_data_t;

3）events的可选值

events有很多可选值，这里只举例最常见的几个：

  • EPOLLIN ：表示对应的文件描述符是可读的；
  • EPOLLOUT：表示对应的文件描述符是可写的；
  • EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生了错误；

成功则返回0，失败返回-1

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

等待文件描述符epfd上的事件。epfd就是Epoll对应的文件描述符，events表示调用者所有可用事件的集合，maxevents表示最大等到多少个事件就返回，timeout是超时时间。

4）I/O多路复用底层

I/O多路复用底层主要用Linux内核函数（select 、poll、epoll）来实现。

selectpollepoll（jdk1.5及以上）
操作方式遍历遍历回调
底层实现数组链表哈希表
O效率每次调用都进行线性遍历，时间复杂度O(n)每次调用都进行线性遍历，时间复杂度O(n)事件通知方式，每当有IO事件放生，系统注册的回调函数就会被调用，事件复杂度O(1)
最大连接有上限无上限无上限

三、AIO模型

异步非阻塞模型，由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数比较多且连接时间比较长的应用

1、应用场景

AIO方式适用于连接数 多且连接比较长（重操作）的架构，JDK1.7开始支持

1）服务器代码

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
 
public class AIOServer {
 
    public static void main(String[] args) throws  Exception {
       final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));
 
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {
                    System.out.println("2--" + Thread.currentThread().getName());
                    //再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment,this);
                    System.out.print(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
 
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }
 
                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
 
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
 
            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
 
            }
        });
        System.out.println("1--"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

2）客户端代码

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
 
public class AIOClient {
 
    public static void main(String... args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

2、BIO、NIO、AIO对比

深入理解Java三种IO模式和Epoll模型插图6

3、为什么Netty使用NIO而不是AIO?

因为在Linux系统上，AIO的底层实现扔使用Epoll模型，没有很好的使用AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易再次进行深度优化，Linux上AIO还不够成熟。Netty是异步非阻塞框架，Netty在NIO上做了很多异步封装。

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