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JavaIO：BIO、NIO-创新互联

3种网络编程 I/O 模型：BIO、NIO、AIO

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  • BIO：同步并阻塞（传统阻塞型），一个连接一个线程，连接数目比较小且固定的架构场景
  • NIO：同步非阻塞，一个线程处理多个连接，连接数目多且连接比较短的架构场景
  • AIO：异步非阻塞，Proactor 模式，有效请求才启动线程，连接数较多且连接时间较长场景
BIO（blocking I/O）
  • 基本介绍：传统的 Java IO 编程
  • BIO：同步阻塞
  • 简单流程
    • 服务器启动一个 ServerSocket
    • 客户端启动一个 Socket 进行通信，默认每个客户端建立一个线程进行通讯
    • 客户端发起请求后先咨询服务器是否有线程响应，没有就等待或者被拒绝
      • 有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行
NIO（Java non-blocking IO）
  • 三大核心部分：Channel、Buffer、Selector
    • 每个 Channel 会对应一个 Buffer
    • Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 Channel（连接）
    • Selector 切换到哪个 Channel 由事件决定，Event 就是一个重要概念
    • Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
    • Buffer 就是一个内存块，底层有一个数组
    • 数据的读取写入是通过 Buffer（BIO 要么是输入或者输出流，不能双向，但是NIO的 Buffer 可以读也可以写，需要 flip 切换）
    • Channel 是双向的，可以返回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
  • NIO 面向缓冲区或者面向块
  • 基本介绍
    • 使用线程从某通道发送请求或者读取数据，仅能获取目前可用的数据，如果目前没有数据可用，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞
    • 通俗理解：用一个线程处理多个操作
    • 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，比HTTP1.1大了好几个数量级
  • NIO 和 BIO
    • BIO 以流处理数据，NIO 以块处理数据，块 I/O 效率比流 I/O 高很多
    • BIO 阻塞，NIO 非阻塞
    • BIO 基于字节流和字符流进行操作，NIO 基于 Channel 和 Buffer 进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区，或者从缓冲区写入通道中
      • Selector 用于监听多个通道的事件（连接请求，数据到达），所以单个线程能监听多个客户端通道
  • 缓冲区（Buffer）
    • 本质上就是一个可以读写的内存块，理解成一个容器对象（含数组）
    • 缓冲区对象内置流一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况
    • 属性
      • Capacicty：容量，缓冲区创建的时候被设定并且不能改变
      • Limit：当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作，且极限是可以修改的
      • Position：位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变的值，为下次做准备
      • Mark：标记
  • 通道（Channel）
    • NIO 通道类似于流
      • 可以同时读写，流只能读或者写
      • 可以实现异步读写数据
      • 可以从缓冲读数据，可以写数据到缓冲
    • BIO 中的 stream 是单向的，NIO 中的 Channel 是双向的可读写
    • Channel 在 NIO 中时一个接口，常用 FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel、SocketChannel
      • FileChannel：用于文件的读写
      • DatagramChannel：用于 UDP 的数据读写
      • ServerSocketChannel、SocketChannel 用于 TCP 的数据读写
  • 选择器（Selector）
    • 基本介绍
      • Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，有就获取事件然后针对每个事件进行相应的处理
      • 只有在连接真正有读写事件发生时，才会进行读写，减少开销
      • 避免多线程之间的上下文切换导致的开销
    • Selector、SelectionKey、ServerSocketChannel、SocketChannel 关系
      • 客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
      • Selector 开始监听
      • 将 SocketChannel 注册到 Selector 上，一个 Selector 可以注册多个 SocketChannel
      • 注册后返回一个 SelectionKey 会和该 Selector 关联（集合）
      • Selector 进行监听 select 方法，返回有事件发生的通道个数
      • 进一步得到各个 SelectionKey（有事件发生）
      • 再通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel
      • 可以通过 channel() 方法得到 channel，完成业务处理
    • SelectionKey
      • 表示 Selector 和网络通道的注册关系
        • OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16
        • OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8
        • OP_WRITE：代表写操作，值为 4
        • OP_READ：代表读操作，值为 1
    • ServerSocketChannel
      • 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接
      • 相关方法
        • open：得到一个 ServerSocketChannel 通道
        • bind：设置服务器端口号
        • configureBlocking：设置阻塞或非阻塞模式
        • accept：接受一个连接
        • register：注册一个选择器并设置监听事件
    • SocketChannel
      • 网络 IO 通道，具体负责进行读写操作，NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道数据写入缓冲区
      • 相关方法
        • open
        • configureBlocking
        • connect
        • finnishConnect
        • write
        • read
        • register
        • close
  • 存在问题
    • NIO 类库和 API 繁杂，需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等
    • 需要具备 Java 多线程编程，NIO 编程涉及 Reactor 模式，必须对多线程和网络编程非常熟悉才能写出高质量的 NIO 程序
    • 开发工作量和难度都非常大，例如：临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流
    • NIO Bug：Epoll Bug，导致 Selector 空轮询，CPU 100%

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