大家好，我是老三，上一节我们讨论了Linux的五种IO模型，接下来，我们从Java语言层面，来看看对IO的实现。
在Java中，一共有三种IO模型，分别是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和异步IO(AIO)。
Linux五种IO模型和Java三种IO模型
Java BIO
Java BIO就是Java的传统IO模型，对应了操作系统IO模型里的阻塞IO。
Java BIO相关的实现都位于java.io包下，其通信原理是客户端、服务端之间通过Socket套接字建立管道连接，然后从管道中获取对应的输入/输出流，最后利用输入/输出流对象实现发送/接收信息。
我们来看个Demo：
BioServer：/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO服务端 */ public class BioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //定义一个ServerSocket服务端对象，并为其绑定端口号 ServerSocket server = new ServerSocket(8888); System.out.println( "===========BIO服务端启动================" ); //对BIO来讲，每个Socket都需要一个Thread while ( true ) { //监听客户端Socket连接 Socket socket = server.accept(); new BioServerThread(socket).start(); } } /** * BIO Server线程 */ static class BioServerThread extends Thread{ //socket连接 private Socket socket; public BioServerThread(Socket socket){ this .socket=socket; } @Override public void run() { try { //从socket中获取输入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); //转换为 BufferedReader bufferedReader= new BufferedReader( new InputStreamReader(inputStream)); String msg; //从Buffer中读取信息，如果读取到信息则输出 while ((msg=bufferedReader.readLine())!= null ){ System.out.println( "收到客户端消息：" +msg); } //从socket中获取输出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); PrintStream printStream= new PrintStream(outputStream); //通过输出流对象向客户端传递信息 printStream.println( "你好，吊毛！" ); //清空输出流 printStream.flush(); //关闭socket socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
BioClient/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO客户端 */ public class BioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { List<String> names= Arrays.asList( "帅哥" , "靓仔" , "坤坤" ); //通过循环创建多个多个client for (String name:names){ //创建socket并根据IP地址与端口连接服务端 Socket socket= new Socket( "127.0.0.1" ,8888); System.out.println( "===========BIO客户端启动================" ); //从socket中获取字节输出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); //通过输出流向服务端传递信息 String hello= "你好，" +name+ "!" ; outputStream.write(hello.getBytes()); //清空流，关闭socket输出 outputStream.flush(); socket.shutdownOutput(); //从socket中获取字节输入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); BufferedReader bufferedReader= new BufferedReader( new InputStreamReader(inputStream)); //读取服务端消息 String msg; while ((msg=bufferedReader.readLine())!= null ){ System.out.println( "收到服务端消息：" +msg); } inputStream.close(); outputStream.close(); socket.close(); } } }
先启动BioServer，再启动BioClient，运行结果
===========BIO服务端启动================ 收到客户端消息：你好，帅哥! 收到客户端消息：你好，靓仔! 收到客户端消息：你好，坤坤!
===========BIO客户端启动================ 收到服务端消息：你好，吊毛！ ===========BIO客户端启动================ 收到服务端消息：你好，吊毛！ ===========BIO客户端启动================ 收到服务端消息：你好，吊毛！
在上述Java-BIO的通信过程中，如果客户端一直没有发送消息过来，服务端则会一直等待下去，从而服务端陷入阻塞状态。同理，由于客户端也一直在等待服务端的消息，如果服务端一直未响应消息回来，客户端也会陷入阻塞状态。
在BioServer定义了一个类BioServerThread，继承了Thread类，run方法里主要是通过socket和流来读取客户端的消息，以及发送消息给客户端，每处理一个客户端的Socket连接，就得新建一个线程。
同时，IO读写操作也是阻塞的，如果客户端一直没有发送消息过来，线程就会进入阻塞状态，一直等待下去。
在BioClient里，循环创建Socket，向服务端收发消息，客户端的读写也是阻塞的。
在这个Demo里就体现了BIO的两个特点：
一个客户端连接对应一个处理线程 读写操作都是阻塞的
Java BIO
毫无疑问，不管是创建太多线程，还是阻塞读写，都会浪费服务器的资源。
Java NIO
那么我们就进入Java的下一种IO模型——Java NIO，它对应操作系统IO模型中的多路复用IO，底层采用了epoll实现。
Java-NIO则是JDK1.4中新引入的API，它在BIO功能的基础上实现了非阻塞式的特性，其所有实现都位于java.nio包下。NIO是一种基于通道、面向缓冲区的IO操作，相较BIO而言，它能够更为高效的对数据进行读写操作，同时与原先的BIO使用方式也大有不同。
我们还是先来看个Demo：
NioServer/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/4/30 * @Description NIO服务端 */ public class NioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //创建一个选择器selector Selector selector= Selector.open(); //创建serverSocketChannel ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open(); //绑定端口 serverSocketChannel.socket().bind( new InetSocketAddress(8888)); //必须得设置成非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking( false ); //将channel注册到selector并设置监听事件为ACCEPT serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println( "===========NIO服务端启动============" ); while ( true ){ //超时等待 if (selector.select(1000)==0){ System.out.println( "===========NIO服务端超时等待============" ); continue ; } // 有客户端请求被轮询监听到，获取返回的SelectionKey集合 Iterator<SelectionKey> iterator=selector.selectedKeys().iterator(); //迭代器遍历SelectionKey集合 while (iterator.hasNext()){ SelectionKey key=iterator.next(); // 判断是否为ACCEPT事件 if (key.isAcceptable()){ // 处理接收请求事件 SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept(); //非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking( false ); // 注册到Selector并设置监听事件为READ socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024)); System.out.println( "成功连接客户端" ); } //判断是否为READ事件 if (key.isReadable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); try { // 获取以前设置的附件对象，如果没有则新建一个 ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); if (buffer == null ) { buffer = ByteBuffer.allocate(1024); key.attach(buffer); } // 清空缓冲区 buffer.clear(); // 将通道中的数据读到缓冲区 int len = socketChannel.read(buffer); if (len > 0) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println( "收到客户端消息：" + message); } else if (len < 0) { // 接收到-1，表示连接已关闭 key.cancel(); socketChannel.close(); continue ; } // 注册写事件，下次向客户端发送消息 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer); } catch (IOException e) { // 取消SelectionKey并关闭对应的SocketChannel key.cancel(); socketChannel.close(); } } //判断是否为WRITE事件 if (key.isWritable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); //获取buffer ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); String hello = "你好，坤坤！" ; //清空buffer buffer.clear(); //buffer中写入消息 buffer.put(hello.getBytes()); buffer.flip(); //向channel中写入消息 socketChannel.write(buffer); buffer.clear(); System.out.println( "向客户端发送消息：" + hello); // 设置下次读写操作，向 Selector 进行注册 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer); } // 移除本次处理的SelectionKey,防止重复处理 iterator.remove(); } } } }
NioClient
public class NioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { // 创建SocketChannel并指定ip地址和端口号 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open( new InetSocketAddress( "127.0.0.1" , 8888)); System.out.println( "==============NIO客户端启动================" ); // 非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking( false ); String hello= "你好，靓仔！" ; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes()); // 向通道中写入数据 socketChannel.write(buffer); System.out.println( "发送消息：" + hello); buffer.clear(); // 将channel注册到Selector并监听READ事件 socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer); while ( true ) { // 读取服务端数据 if (socketChannel.read(buffer) > 0) { buffer.flip(); String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()); System.out.println( "收到服务端消息：" + msg); break ; } } // 关闭输入流 socketChannel.shutdownInput(); // 关闭SocketChannel连接 socketChannel.close(); } }
先运行NioServer，再运行NioClient，运行结果：===========NIO服务端启动============ ===========NIO服务端超时等待============ ===========NIO服务端超时等待============ 成功连接客户端 收到客户端消息：你好，靓仔！ 向客户端发送消息：你好，坤坤！
==============NIO客户端启动================ 发送消息：你好，靓仔！ 收到服务端消息：你好，坤坤！
我们在这个案例里实现了一个比较简单的Java NIO 客户端服务端通信，里面有两个小的点需要注意，注册到选择器上的通道都必须要为非阻塞模型，同时通过缓冲区传输数据时，必须要调用flip()方法切换为读取模式。
代码流程示意图
Java-NIO中有三个核心概念：**Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）**。
Java NIO
每个客户端连连接本质上对应着一个Channel通道，每个通道都有自己的Buffer缓冲区来进行读写，这些Channel被Selector选择器管理调度 Selector负责轮询所有已注册的Channel，监听到有事件发生，才提交给服务端线程处理，服务端线程不需要做任何阻塞等待，直接在Buffer里处理Channel事件的数据即可，处理完马上结束，或返回线程池供其他客户端事件继续使用。 通过Selector，服务端的一个Thread就可以处理多个客户端的请求 Buffer（缓冲区）就是饭店用来存放食材的储藏室，当服务员点餐时，需要从储藏室中取出食材进行制作。 Channel（通道）是用于传输数据的车道，就像饭店里的上菜窗口，可以快速把点好的菜品送到客人的桌上。 Selector（选择器）就是大堂经理，负责协调服务员、厨师和客人的配合和沟通，以保证整个就餐过程的效率和顺畅。Java AIO
Java-AIO也被成为NIO2，它是在NIO的基础上，引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字的实现。
异步通道的实现体系
它们的主要区别就在于这个异步通道，见名知意：使用异步通道去进行IO操作时，所有操作都为异步非阻塞的，当调用read()/write()/accept()/connect()方法时，本质上都会交由操作系统去完成，比如要接收一个客户端的数据时，操作系统会先将通道中可读的数据先传入read()回调方法指定的缓冲区中，然后再主动通知Java程序去处理。
我们还是先来看个Demo：
AioServer/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO服务端 */ public class AioServer { public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建异步通道组，处理IO事件 AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory()); //创建异步服务器Socket通道，并绑定端口 AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind( new InetSocketAddress(8888)); System.out.println( "=============AIO服务端启动=========" ); // 异步等待接收客户端连接 server.accept( null , new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) { System.out.println( "客户端连接成功" ); try { buffer.clear(); // 异步读取客户端发送的消息 channel.read(buffer, null , new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer len, Object attachment) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println( "收到客户端消息：" + message); // 异步发送消息给客户端 channel.write(ByteBuffer.wrap(( "你好，阿坤！" ).getBytes()), null , new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { // 关闭输出流 try { channel.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 继续异步等待接收客户端连接 server.accept( null , this ); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); // 继续异步等待接收客户端连接 server.accept( null , this ); } }); // 等待所有连接都处理完毕 group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS); } }
AioClient
/** * @Author 三分恶 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO客户端 */ public class AioClient { public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建异步Socket通道 AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(); // 异步连接服务器 client.connect( new InetSocketAddress( "127.0.0.1" , 8888), null , new CompletionHandler<Void, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(( "你好，靓仔！" ).getBytes()); @Override public void completed(Void result, Object attachment) { // 异步发送消息给服务器 client.write(buffer, null , new CompletionHandler<Integer, Object>() { // 创建ByteBuffer final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.clear(); // 异步读取服务器发送的消息 client.read(readBuffer, null , new CompletionHandler<Integer, Object>() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.flip(); String msg = new String(readBuffer.array(), 0, result); System.out.println( "收到服务端消息：" + msg); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); // 等待连接处理完毕 Thread.sleep(1000); // 关闭输入流和Socket通道 client.shutdownInput(); client.close(); } }
看下运行结果
=============AIO服务端启动========= 客户端连接成功 收到客户端消息：你好，靓仔！
收到服务端消息：你好，阿坤！
可以看到，所有的操作都是异步进行，通过completed接收异步回调，通过failed接收错误回调。
而且我们发现，相较于之前的NIO而言，AIO其中少了Selector选择器这个核心组件，选择器在NIO中充当了协调者的角色。
但在Java-AIO中，类似的角色直接由操作系统担当，而且不是采用轮询的方式监听IO事件，而是采用一种类似于[订阅-通知]的模式。
Java AIO简图
在AIO中，所有创建的通道都会直接在OS上注册监听，当出现IO请求时，会先由操作系统接收、准备、拷贝好数据，然后再通知监听对应通道的程序处理数据。
Java-AIO这种异步非阻塞式IO也是由操作系统进行支持的，在Windows系统中提供了一种异步IO技术：IOCP(I/O Completion Port，所以Windows下的Java-AIO则是依赖于这种机制实现。不过在Linux系统中由于没有这种异步IO技术，所以Java-AIO在Linux环境中使用的还是epoll这种多路复用技术进行模拟实现的。
因为Linux的异步IO技术实际上不太成熟，所以Java-AIO的实际应用并不是太多，比如大名鼎鼎的网络通信框架Netty就没有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代码层面，自行实现异步。
小结
那么这期我们就快速过了一下Java的三种IO机制，它们的特点，我们直接看下图：
Java三种IO模型
我们也发现，虽然Java-NIO、Java-AIO，在性能上比Java-BIO要强很多，但是可以看到，写法上一个比一个难搞，不过好在基本也没人直接用Java-NIO、Java-AIO，如果要进行网络通信，一般都会采用Netty，它对原生的Java-NIO进行了封装优化，接下来，我们会继续走近Netty，敬请期待。
参考：[1].《Netty权威指南》
[2].https://juejin.cn/post/7130952602350534693#heading-14
[3].https://HdhCmsTestjianshu测试数据/p/670033e5b916
原文地址：https://mp.weixin.qq测试数据/s/EMVS4dnHAgOfKg_OCQWEIw