Java 中的io模型詳解

更新時間：2021年04月01日 09:12:31 作者：Bridge Li

這篇文章主要介紹了Java 中io模型的相關(guān)資料，幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)使用Java，感興趣的朋友可以了解下

1. BIO

我們先看一個 Java 例子：

package cn.bridgeli.demo;
 
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
 
/**
 * @author bridgeli
 */
public class SocketBIO {
 
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket server = new ServerSocket(9090, 20);
 
        System.out.println("step1: new ServerSocket(9090) ");
 
        while (true) {
            Socket client = server.accept();
            System.out.println("step2:client: " + client.getPort());
 
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    InputStream inputStream = null;
                    BufferedReader reader = null;
                    try {
                        inputStream = client.getInputStream();
                        reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
                        while (true) {
                            String dataLine = reader.readLine(); //阻塞2
                            if (null != dataLine) {
                                System.out.println(dataLine);
                            } else {
                                client.close();
                                break;
                            }
                        }
                        System.out.println("客戶端斷開");
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        if (null != reader) {
                            try {
                                reader.close();
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        if (null!= inputStream) {
                            try {
                                inputStream.close();
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    }
 
                }
 
 
            }).start();
 
        }
    }
 
}

BIO 是最初始的 IO 模型，該模型有兩個大問題：1. accept 是阻塞的；2. read 也是阻塞的，也就是說我們的服務(wù)器起來之后，首先會在 accept 處阻塞，等待客戶端連接，但有一個客戶端連接的時候，我們可以從客戶端處讀取數(shù)據(jù)，這個時候也是阻塞的，所以我們的系統(tǒng)只能是單連接的，當(dāng)有多個客戶端連接的時候，只能一個一個的排著隊(duì)連接，然后從客戶端中讀取數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)多連接，這就要求我們必須啟用線程來解決，最開始等待客戶端連接，然后有一個客戶端連上了之后，啟動一個線程讀取客戶端的數(shù)據(jù)，然后主線程繼續(xù)等待客戶端連接。

該模型最大的問題就是缺乏彈性伸縮能力，當(dāng)客戶端并發(fā)訪問量增加后，服務(wù)端的線程個數(shù)和客戶端并發(fā)訪問數(shù)呈1:1的正比關(guān)系，Java 中的線程也是比較寶貴的系統(tǒng)資源，線程數(shù)量快速膨脹后，系統(tǒng)的性能將急劇下降，隨著訪問量的繼續(xù)增大，系統(tǒng)最終就死掉了。當(dāng)然不僅僅是 Java，我們直接設(shè)想假設(shè)有一萬個客戶端連接到服務(wù)端，服務(wù)端要開一萬個線程，那么這個時候服務(wù)端光開線程要占用多少資源？需要多大內(nèi)存？操作系統(tǒng)為了調(diào)度這些線程 CPU 是不是也要被占用完了？

為了解決此問題，有人對服務(wù)器的線程模型進(jìn)行優(yōu)化，服務(wù)端采用線程池來處理多個客戶端請求。但是同樣是有問題的，

1. 線程總數(shù)有限，又要等待；

2. 多余的連接會堆積在任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)任務(wù)隊(duì)列滿了，那么此時就開始啟用拒絕策略了，所以還是沒有從根本上解決問題。

2. NIO

BIO 最大的問題，在于 B，block，阻塞，所以只要解決了這個問題就可以，那么此時 NIO 應(yīng)運(yùn)而生，N 就是 non-block 的意思（Java 中是 new 的意思），同樣先看一個例子：

package cn.bridgeli.demo;
 
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.LinkedList;
 
/**
 * @author bridgeli
 */
public class SocketNIO {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
 
        LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>();
 
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
 
        while (true) {
            SocketChannel client = serverSocketChannel.accept();
 
            if (null != client) {
                client.configureBlocking(false);
                System.out.println("client port: " + client.socket().getPort());
                clients.add(client);
            }
 
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096);
 
            for (SocketChannel c : clients) {
                int num = c.read(buffer);
                if (num > 0) {
                    buffer.flip();
                    byte[] aaa = new byte[buffer.limit()];
                    buffer.get(aaa);
 
                    String b = new String(aaa);
                    System.out.println(c.socket().getPort() + " : " + b);
                    buffer.clear();
                }
            }
        }
    }
 
}

這個時候我們會發(fā)現(xiàn)連接和讀取都是非阻塞的了，由于都是非阻塞的，所以這就要求我們需要有一個集合，用來存儲所有的連接，然后從連接中讀取數(shù)據(jù)。這個模型解決了我們需要開線程的問題，沒循環(huán)一次，如果有新連接過來，我們就把連接放到集合中，然后挨個讀取連接中的數(shù)據(jù)，此時就不需要我們每連接每線程了，但是還是有一個問題，隨著連接的增加，我們的隊(duì)列會越來越大，而且我們每次都要遍歷所有的連接讀取數(shù)據(jù)，我們還假設(shè)有一萬個連接，但是前 9999 個連接都沒有數(shù)據(jù)，只有最后一個連接有數(shù)據(jù)，那前 9999 次讀取都是浪費(fèi)。

3. 多路復(fù)用

為了解決 NIO 中無效讀取的問題，這個時候我們可以根據(jù)事件監(jiān)聽，告訴操作系統(tǒng)說，我們監(jiān)聽那些事件，然后當(dāng)這些事件有數(shù)據(jù)到達(dá)時通知我們?nèi)プx取，例子如下：

package cn.bridgeli.demo;
 
import java.io.IOException;
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.util.Iterator;
import java.util.Set;
 
/**
 * @author bridgeli
 */
public class SocketMultiplexingIO {
 
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
    private Selector selector = null;
 
    public void initServer() {
        try {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public void start() {
        initServer();
        System.out.println("服務(wù)器啟動了...");
        try {
            while (true) {
 
                while (selector.select() > 0) {
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        if (key.isAcceptable()) {
                            acceptHandler(key);
                        } else if (key.isReadable()) {
                            readHandler(key);
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public void acceptHandler(SelectionKey key) {
        try {
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = ssc.accept();
            client.configureBlocking(false);
 
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
 
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
            System.out.println("新客戶端：" + client.getRemoteAddress());
 
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public void readHandler(SelectionKey key) {
        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        buffer.clear();
        int read = 0;
        try {
            while (true) {
                read = client.read(buffer);
                if (read > 0) {
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        client.write(buffer);
                    }
                    buffer.clear();
                } else if (read == 0) {
                    break;
                } else {
                    client.close();
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
 
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SocketMultiplexingIO service = new SocketMultiplexingIO();
        service.start();
    }
}

再多路復(fù)用中，有 poll、epoll、Selector 等實(shí)現(xiàn)方式，其中他們的區(qū)別是，poll 需要我們每次告訴操作系統(tǒng)說，我們都要關(guān)注哪些事件，而 epoll 是操作系統(tǒng)會開辟一塊內(nèi)存區(qū)域，存儲下我們要關(guān)注的事件，不用每次都告訴操作系統(tǒng)我們關(guān)注哪些事件。

關(guān)于 BIO、NIO、多路復(fù)用，馬士兵教育的周志磊老師有一個很形象的例子。BIO 是阻塞的，所以需要我們每連接每線程，就相當(dāng)于我們?yōu)槊恳惠v車在收費(fèi)站修建一條路，每來一輛車就要修一條路，我們我們自己從車上卸下裝的貨；NIO 是非阻塞的，我們就需要我們每次都跑到收費(fèi)站，然后看我們修好的路上面車來了沒有，沒有來的話，等下次在看，來的話，我們卸下貨，再等下次看有沒有新貨；多路復(fù)用中的 poll，就是我們在收費(fèi)站安裝一個電話機(jī)，然后我們每次打電話，我關(guān)注的哪些路是否有車來了，需要我卸貨，而 epoll 是我們不僅在收費(fèi)站安裝了一個電話機(jī)，我們還留下了一個本子，我們每次打電話的時候，會把我們新關(guān)注的路告訴收費(fèi)站，收費(fèi)站在本子上記下我們關(guān)注的那些路，假設(shè)我們關(guān)注一萬條路，這樣就不需要我們每次在電話中每次把這一萬條路說一邊，問這些路是否有車來了，需要我們卸貨。

最后再說幾個小問題

1. 我們學(xué)習(xí) IO 模型，IO 模型是操作系統(tǒng)提供給我們的接口，屬于系統(tǒng)調(diào)用，所以我們可以通過 strace 追蹤到每一個程序所執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用。命令如下：

strace -ff -o out + 要追蹤的進(jìn)程

2. 當(dāng)我們追蹤 BIO 的時候，因?yàn)?JDK 的優(yōu)化，所以如果使用高版本的 JDK，也不會看到阻塞，這個時候你可以通過 JDK1.4 編譯運(yùn)行（這也是為什么我們使用 lambda 表達(dá)式和 try-with-resource 的原因）

3. IO 調(diào)用屬于系統(tǒng)調(diào)用，所以從 BIO -> NIO -> 多路復(fù)用，是操作系統(tǒng)的進(jìn)步，而我們各種變成語言寫的屬于應(yīng)用，所以有沒有異步非阻塞IO 模型，這樣看操作系統(tǒng)底層有沒有這樣的模型，需要操作系統(tǒng)給我們提供異步非阻塞IO 相關(guān)的接口，我們的應(yīng)用才能進(jìn)一步優(yōu)化

4. 我們通過 strace 追蹤到的每一個系統(tǒng)調(diào)用，都可以通過 man 命令查看文檔（僅限 linux 系統(tǒng)，非 Windows 系統(tǒng)），如果沒有 man 命令，安裝一下就可以了。

以上就是Java 中的io模型詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java io模型的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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