Java NIO介绍

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。

• 2、Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO。

• 3、Java BIO：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。

• 4、Java NIO： 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。

• 5、Java AIO(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。

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。

• 2、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。

• 3、AIO方式使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参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

Java BIO 基本介绍

• 1、Java BIO 就是传统的java io 编程，其相关的类和接口在 java.io包下。

• 2、BIO(blocking I/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(实现多个客户连接服务器)。

• 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，程序简单易理解。

public class BioHttpServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 用一个线程池处理接收到的请求
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 服务端开启8081端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
        while (!Thread.interrupted()) {
            // 阻塞式接收请求
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            // 每当有新的请求到来，将其放到线程池中处理
            executor.submit(() -> {
                try (
                    InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                    BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()))) {

                    // 从inputStream中读取输入内容
                    byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
                    inputStream.read(bytes);

                    // 封装输出内容，并将其写到outputStream
                    writer.write(ResponseUtils.getResponse(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8)));
                    writer.flush();

                    // 这里需要分别关闭输入和输出，否则浏览器请求的时候会发生异常
                    // 思考1：为什么不能直接close
                    socket.shutdownInput();
                    socket.shutdownOutput();
                    socket.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

shutdownInput，shutdownOutput 的作用是什么？
因为socket是双向的，需要先关闭输入流，告诉客户端，我不再接收数据，然后关闭输出流，表示我的数据已经发送完毕。

Java 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 。

• 2、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。

• 3、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。

Java NIO 基本介绍

• 1、Java NIO 全称 java non-blocking IO，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 New IO)，是同步非阻塞的。

• 2、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。

• 3、NIO 有三大核心部分：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器) 。

• 4、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，需要时可在缓冲区中前后移动，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。

• 5、Java NIO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。

• 6、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。

• 7、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 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。

• 2、BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的。

• 3、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

Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图(简单版)

关系图的说明:

• 1、每个channel 都会对应一个Buffer。

• 2、Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)。

• 3、程序切换到哪个channel 是有事件决定的，Event 就是一个重要的概念。

• 4、Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。

• 5、Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组。

• 6、数据的读取写入是通过Buffer，而BIO 中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写的，读写转换之前只需要调用 flip 方法切换即可。

• 7、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 核心 Channel

• FileChannel：用于文件 I/O
• SocketChannel，ServerSocketChannel：用于 TCP I/O
• DatagramChannel：用于 UDP I/O

NIO 核心 Buffer

• CharBuffer
• DoubleBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ByteBuffer
• ShortBuffer
• FloatBuffer

以上 Buffer 分别用于对各种基本数据类型进行支持，缺少对Boolean类型的支持；

java.nio 包基本结构

java.nio 提供了对于 NIO 系统支持的类库，该包的主要结构如下：

java.nio	NIO系统的顶级包，NIO系统封装了各种类型的缓冲区
java.nio.charset	封装了字符集，并且还支持分别将字符转换为字节和 字节到编码器和解码器的操作
java.nio.charset.spi	用于提供字符集服务
java.nio.channels	用于支持通道，这些通道本质上是打开I/O连接
java.nio.channels.spi	用于支持频道服务
java.nio.file	用于提供对文件的支持
java.nio.file.spi	用于提供支持文件系统的辅助服务
java.nio.file.attribute	用于对文件属性提供的支持

Java AIO 基本介绍

• 1、JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理。

• 2、AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。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。

• 3、目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于NIO，而不是AIO。

AIO详解：Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍

BIO、NIO、AIO对比表

	BIO	NIO	AIO
IO模型	同步阻塞	同步非阻塞 (多路复用)	异步非阻塞
编程难度	简单	复杂	复杂
可靠性	差	好	好
吞吐量	低	高	高

参考：
https://www.pianshen.com/article/79261180545/

https://segmentfault.com/a/1190000022653494