02、Netty实战:IO模型

I/O模型

I/O模型基本说明

1、 I/O模型简单的理解:就是用什么样的通道进行数据的发送和接收,很大程度上决定了程序通信的性能;

1、 Java共支持3种网络编程模型I/O模式:BIO、NIO、AIO;

1、 JavaBIO:同步并阻塞(传统阻塞型),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;

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1、 JavaNIO:同步非阻塞,服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接),即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理;

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1、 JavaAIO(NIO.2):异步非阻塞,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(未得到广泛应用);

BIO、NIO、AIO适用场景分析

1、 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;

1、 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;

1、 AIO方式适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参考并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持;

BIO介绍及分析

BIO基本介绍

1、 JavaBIO就是传统的JavaIO编程,其相关的类和接口在java.io;

1、 BIO(blockingI/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;

1、 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;

BIO工作机制

工作原理图如下所示。

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BIO编程简单流程:

1、 服务器端启动一个ServerSocket;

1、 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端建立一个线程与之通信;

1、 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;

1、 如果有响应,客户端线程会等待请求结束后,才继续执行;

应用示例

实例说明:

(1)使用BIO模型编写一个服务器端,监听6666端口,当有客户端连接时,就启动一个线程与之通信。

(2)要求使用线程池机制改善,可以连接多个客户端。

(3)服务器端可以接收客户端发送的数据(telnet 方式即可)。

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 线程池机制
        //思路
        //1.创建一个线程池
        //2.如果有客户端连接,就创建一个线程,与之通讯
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        // 创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了");
        while (true) {
            // 监听,等待客户端连接
            System.out.println("等待连接......");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            // 就创建一个线程,与之通信
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //可以和客户端通讯
                    handler(socket);
                }
            });
        }
    }

    //编写一个handler方法,和客户端通信
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + ", 名字:" + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            // 通过socket 获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            // 循环读取客户端发送的数据
            while (true) {
                System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + ", 名字:" + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("read..........");
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read, "utf-8"));
                } else {
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                System.out.println("关闭和client连接");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

使用telnet进行测试。

(1)cmd进入到命令行窗口,使用telnet进行连接

telnet 127.0.0.1 6666

(2)连接成功后,发送消息,使用快捷键 ctrl+]

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BIO 问题分析

1、 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;

1、 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;

1、 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;

NIO介绍及分析

NIO基本介绍

1、 NIO全称non-blockingIO,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NewIO),是同步非阻塞的;

1、 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;

1、 NIO有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区),Selector(选择器);

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1、 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;

1、 JavaNIO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;

1、 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;

1、 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;

NIO中Buffer的基本使用

public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 举例说明buffer的使用(简单说明)
        // 创建一个Buffer, 大小为5,即可以存放5个int
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
        // 向buffer中存放数据
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
            intBuffer.put(i * 2);
        }
        // 如何从buffer读取数据
        // 将buffer转换,读写切换
        intBuffer.flip();
        while (intBuffer.hasRemaining()){
            System.out.println(intBuffer.get());
        }
    }
}

NIO和BIO的比较

1、 BIO以流的方式处理数据,而NIO以块的方式处理数据,块I/O的效率比流I/O高很多;

1、 BIO是阻塞的,NIO则是非阻塞的;

1、 BIO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel(通道)和Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中Selector(选择器)用于监听多个通道的事件(比如:连接请求,数据到达等),因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道;

NIO三大核心原理示意图

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Selector、Channel和Buffer的关系说明:

1、 每个channel都会对应一个buffer;

1、 selector对应一个线程,一个线程对应多个channel(连接);

1、 上图反映了有3个channel注册到了该selector;

1、 程序切换到哪个channel,是由事件决定的,Event就是一个重要的概念;

1、 selector会根据不同的事件,在各个通道上切换;

1、 buffer就是一个内存块,底层是有一个数组;

1、 数据的读取写入是通过buffer,这个和BIO是不同的,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;

1、 chennel是双向的,可以反映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;

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