Java 網絡IO編程總結

一、BIO編程

    1.一、傳統的BIO編程

 

    網絡編程的基本模型是C/S模型，即兩個進程間的通訊。

    服務端提供IP和監聽端口，客戶端經過鏈接操做想服務端監聽的地址發起鏈接請求，經過三次握手鍊接，若是鏈接成功創建，雙方就能夠經過套接字進行通訊。

    傳統的同步阻塞模型開發中，ServerSocket負責綁定IP地址，啓動監聽端口；Socket負責發起鏈接操做。鏈接成功後，雙方經過輸入和輸出流進行同步阻塞式通訊。 

    採用BIO通訊模型的服務端，一般由一個獨立的Acceptor線程負責監聽客戶端的鏈接，它接收到客戶端鏈接請求以後爲每一個客戶端建立一個新的線程進行鏈路處理沒處理完成後，經過輸出流返回應答給客戶端，線程銷燬。即典型的一請求一應答通宵模型。

    該模型最大的問題就是缺少彈性伸縮能力，當客戶端併發訪問量增長後，服務端的線程個數和客戶端併發訪問數呈1:1的正比關係，Java中的線程也是比較寶貴的系統資源，線程數量快速膨脹後，系統的性能將急劇降低，隨着訪問量的繼續增大，系統最終就死-掉-了。

 

 

 

 1.二、僞異步I/O編程

    爲了改進這種一鏈接一線程的模型，咱們可使用線程池來管理這些線程，實現1個或多個線程處理N個客戶端的模型（可是底層仍是使用的同步阻塞I/O），一般被稱爲「僞異步I/O模型「。

 

若是使用CachedThreadPool線程池（不限制線程數量，若是不清楚請參考文首提供的文章），其實除了能自動幫咱們管理線程（複用），看起來也就像是1:1的客戶端：線程數模型，而使用FixedThreadPool咱們就有效的控制了線程的最大數量，保證了系統有限的資源的控制，實現了N:M的僞異步I/O模型。

    可是，正由於限制了線程數量，若是發生大量併發請求，超過最大數量的線程就只能等待，直到線程池中的有空閒的線程能夠被複用。而對Socket的輸入流就行讀取時，會一直阻塞，直到發生：

•     有數據可讀
•     可用數據以及讀取完畢
•     發生空指針或I/O異常

    因此在讀取數據較慢時（好比數據量大、網絡傳輸慢等），大量併發的狀況下，其餘接入的消息，只能一直等待，這就是最大的弊端。

 

 

二、NIO 編程

    JDK 1.4中的java.nio.*包中引入新的Java I/O庫，其目的是提升速度。

     實際上，「舊」的I/O包已經使用NIO從新實現過，即便咱們不顯式的使用NIO編程，也能從中受益。速度的提升在文件I/O和網絡I/O中均可能會發生。

   2.一、簡介

    NIO咱們通常認爲是New I/O（也是官方的叫法），由於它是相對於老的I/O類庫新增的（其實在JDK 1.4中就已經被引入了，但這個名詞還會繼續用好久，即便它們在如今看來已是「舊」的了，因此也提示咱們在命名時，須要好好考慮），作了很大的改變。但民間跟多人稱之爲Non-block I/O，即非阻塞I/O，由於這樣叫，更能體現它的特色。而下文中的NIO，不是指整個新的I/O庫，而是非阻塞I/O。

    NIO提供了與傳統BIO模型中的Socket和ServerSocket相對應的SocketChannel和ServerSocketChannel兩種不一樣的套接字通道實現。

    新增的着兩種通道都支持阻塞和非阻塞兩種模式。

    阻塞模式使用就像傳統中的支持同樣，比較簡單，可是性能和可靠性都很差；非阻塞模式正好與之相反。

    對於低負載、低併發的應用程序，可使用同步阻塞I/O來提高開發速率和更好的維護性；對於高負載、高併發的（網絡）應用，應使用NIO的非阻塞模式來開發。

    下面會先對基礎知識進行介紹。

    2.二、緩衝區 Buffer

    Buffer是一個對象，包含一些要寫入或者讀出的數據。

    在NIO庫中，全部數據都是用緩衝區處理的。在讀取數據時，它是直接讀到緩衝區中的；在寫入數據時，也是寫入到緩衝區中。任什麼時候候訪問NIO中的數據，都是經過緩衝區進行操做。

    緩衝區其實是一個數組，並提供了對數據結構化訪問以及維護讀寫位置等信息。

    具體的緩存區有這些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他們實現了相同的接口：Buffer。

    2.三、通道 Channel

    咱們對數據的讀取和寫入要經過Channel，它就像水管同樣，是一個通道。通道不一樣於流的地方就是通道是雙向的，能夠用於讀、寫和同時讀寫操做。

    底層的操做系統的通道通常都是全雙工的，因此全雙工的Channel比流能更好的映射底層操做系統的API。

    Channel主要分兩大類：

•     SelectableChannel：用戶網絡讀寫
•     FileChannel：用於文件操做

    後面代碼會涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子類。

    2.四、多路複用器 Selector

    Selector是Java  NIO 編程的基礎。

    Selector提供選擇已經就緒的任務的能力：Selector會不斷輪詢註冊在其上的Channel，若是某個Channel上面發生讀或者寫事件，這個Channel就處於就緒狀態，會被Selector輪詢出來，而後經過SelectionKey能夠獲取就緒Channel的集合，進行後續的I/O操做。

    一個Selector能夠同時輪詢多個Channel，由於JDK使用了epoll()代替傳統的select實現，因此沒有最大鏈接句柄1024/2048的限制。因此，只須要一個線程負責Selector的輪詢，就能夠接入成千上萬的客戶端。

    2.五、NIO服務端

    代碼比傳統的Socket編程看起來要複雜很多。

    能夠看到，建立NIO服務端的主要步驟以下：

1.     打開ServerSocketChannel，監聽客戶端鏈接
2.     綁定監聽端口，設置鏈接爲非阻塞模式
3.     建立Reactor線程，建立多路複用器並啓動線程
4.     將ServerSocketChannel註冊到Reactor線程中的Selector上，監聽ACCEPT事件
5.     Selector輪詢準備就緒的key
6.     Selector監聽到新的客戶端接入，處理新的接入請求，完成TCP三次握手，簡歷物理鏈路
7.     設置客戶端鏈路爲非阻塞模式
8.     將新接入的客戶端鏈接註冊到Reactor線程的Selector上，監聽讀操做，讀取客戶端發送的網絡消息
9.     異步讀取客戶端消息到緩衝區
10.     對Buffer編解碼，處理半包消息，將解碼成功的消息封裝成Task
11.     將應答消息編碼爲Buffer，調用SocketChannel的write將消息異步發送給客戶端

 

 

 

三、AIO編程

    NIO 2.0引入了新的異步通道的概念，並提供了異步文件通道和異步套接字通道的實現。

    異步的套接字通道時真正的異步非阻塞I/O，對應於UNIX網絡編程中的事件驅動I/O（AIO）。他不須要過多的Selector對註冊的通道進行輪詢便可實現異步讀寫，從而簡化了NIO的編程模型。