（二）Netty之IO模型

IO模型

I/O模型的简单理解：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
JAVA共支持三种网络编程模型IO模式：BIO、NIO、AIO
JAVA BIO：同步并阻塞（传统阻塞型），服务器实现模式为一个请求连接一个线程，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，如果这个连接补做任何事情会造成不必要的线程开销
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
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与NIO简单示意图

BIO、NIO、AIP适用场景分析

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
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
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

BIO基本介绍

java BIO就是传统的java io模型，其相关的类和接口在java.io
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

java BIO应用实例

实例说明：

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讯
要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端
服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet方式即可）

package com.example.demo.netty;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;/*** BIO应用实例*/
public class BIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception {// 创建一个线程池 如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯（单独写一个方法）ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();// 创建ServerSocketServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);System.out.println("服务器启动了");while (true) {System.out.println("等待连接....accept()会处于阻塞");// 监听等待客户端连接final Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("连接到一个客户端");newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {handler(socket);}});}}// 编写一个handler方法，和客户端通讯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("线程的信息 id:" + Thread.currentThread().getId() + ",名字：" + Thread.currentThread().getName());System.out.println("等待read....read()也会处于阻塞");int read = inputStream.read(bytes);System.out.println("read()完成");if (read != -1) {// 输出客户端发送的数据System.out.println(new String(bytes, 0 , read));} else {break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println("关闭和client的连接");try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

启动后cmd输入以下命令查看效果

telnet 127.0.0.1 6666
ctrl+']'

注意：以上的accept() read()会处于阻塞

BIO问题分析

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
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
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，造成资源浪费

NIO基本介绍

java NIO全程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
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好
NIO有三大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）
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
java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，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，就什么都不会读取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，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
通俗理解：NIO是可以做到用一个线程处理多个操作的。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
HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发出来多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数据量级

NIO和BIO比较

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
BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的
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、Buffer的关系说明：

每个channel都会对应一个Buffer
Selector对应一个线程，一个线程对应多个channel(连接)
改图反映了有三个channel注册到该selector/程序
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
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，底层是一个数组
数据的读取写入是通道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，需要flip方法切换
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

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