netty中的IO、NIO、AIO使用详解
作者：Colins~
这篇文章主要介绍了netty中的IO、NIO、AIO使用详解,本文会说明各种IO的特点、分别解决了什么样的问题做一个分析阐述,并结合Java代码例子来辅助理解,像这些的历史演进和详细的底层原理网上很多,所以我们只站在应用层,使用者的角度去分析,需要的朋友可以参考下
BIO——同步阻塞IO
看这个名称大家可能会有点陌生，我们直接上例子：
服务端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//1.创建服务端Socket 并绑定端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
//2.等待客户端连接 阻塞的
Socket accept = serverSocket.accept();
System.out.println(accept.getRemoteSocketAddress() + " 客户端已连接");
//3.获取输入、输出流
InputStream inputStream = accept.getInputStream();
OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
//4.接收客户端信息
byte[] bytes = new byte[1024];
inputStream.read(bytes);
String data = new String(bytes);
System.out.println("来自" + accept.getRemoteSocketAddress() + "的信息：" + data);
//5.返回信息
outputStream.write(data.getBytes());
accept.shutdownOutput();
//6.关闭资源
inputStream.close();
outputStream.close();
accept.close();
serverSocket.close();
}客户端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//1.创建客户端Socket
Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8080);
//2.获取输入、输出流
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
//3.给服务端发送信息
outputStream.write("你好".getBytes());
socket.shutdownOutput();
//4.获取服务端返回信息
byte[] data = new byte[1024];
inputStream.read(data);
System.out.println("来自服务端的信息：" + new String(data));
//6.关闭资源
inputStream.close();
outputStream.close();
socket.close();
}这就是我们熟知的Socket连接，也是Java最早的网络通信IO，为什么这种叫同步阻塞IO：
因为在做read操作、accept操作的时候会阻塞没法往下执行，说白了就是串行的，就因为这个服务端和客户端只能1对1通信，这合理嘛？肯定不合理啊，所以进阶的有了伪异步IO
伪异步阻塞IO
看完上面的，很多人就有想法了，你说同步的只能1对1通信，那我直接把服务端改成多线程版本不就好了嘛，不就可以1对多通信了嘛，没错这版本确实是这样，如下：
服务端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//1.创建服务端Socket 并绑定端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
//2.等待客户端连接 多线程模式 (开线程异步等待)
new Thread(()->{
while (true){
try {
Socket accept = serverSocket.accept();
System.out.println(accept.getRemoteSocketAddress() + " 客户端已连接");
// 开线程异步处理客户端连接任务
new Thread(new AcceptHandler(accept)).start();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 阻塞防止程序退出
while (true){}
}
private static class AcceptHandler implements Runnable{
private Socket accept;
private InputStream inputStream = null;
private OutputStream outputStream =null;
public AcceptHandler(Socket accept){
this.accept=accept;
}
@Override
public void run() {
try {
//3.获取输入、输出流
inputStream = accept.getInputStream();
outputStream = accept.getOutputStream();
//4.接收客户端信息
byte[] bytes = new byte[1024];
inputStream.read(bytes);
String data = new String(bytes);
if(data!=null){
System.out.println("来自" + accept.getRemoteSocketAddress() + "的信息：" + data);
//5.返回信息
outputStream.write(data.getBytes());
accept.shutdownOutput();
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(accept.getRemoteSocketAddress() + "发送异常断开连接");
closeSource();
}finally {
System.out.println(accept.getRemoteSocketAddress() + "断开连接");
closeSource();
}
}
private void closeSource(){
//6.关闭资源
try {
if(inputStream!=null){inputStream.close();}
if(outputStream!=null){outputStream.close();}
accept.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
}
}
}客户端不变，服务端我们做了三个改动：
一：在等待客户端连接的时候我们开启一个线程，并死循环等待连接，这样可以保证不阻塞主线程的运行，同时可以不断的和客户端建立连接
二：和客户端建立连接后又开启一个线程来单独处理与客户端的通信
三：最后加了个死循环防止程序退出，因为现在是异步的了
这样处理不就是异步的了吗？为什么叫伪异步阻塞IO呢？
虽然现在不会阻塞主线程了，但是阻塞并没有解决，该阻塞的地方依旧还是会阻塞，所以本质上来说只是解决了1对1连接通信的问题
但是新的问题又来了，现在虽然是1对多通信，但是有一个客户端连接就新建一个线程，1万个客户端就1万个线程，这合理吗？这明显不合理啊，用线程池管理？那也不行啊，这连接一多还要排队吗？极端情况下，队列不一样会爆？
那怎么办？有没有可能一个线程监听多个连接呢？于是有了NIO
NIO——同步非阻塞IO
NIO的引入同时引入了三个概念ByteBuffer缓冲区、Channel通道和Selector多路复用器
- Channel的作用：就是一个通道，数据读取和写入的通道，根据功能可以分为不同的通道如：网络通道ServerSocketChannel和SocketChannel、文件操作通道FileChannel等等
- Selector的作用：是轮询Channel上面的事件，如读事件、写事件、连接事件、接受连接事件
- ByteBuffer缓冲区：就是向Channel读取或写入数据的对象，本质就是个字节数组
怎么理解这三个呢？说白了以传统IO为例：服务端accept就是接受连接事件、客户端connect就是连接事件、发送消息就是写事件、读取消息就是读事件 Selector就是监听这些事件的工具 ServerSocketChannel是服务端接受连接的通道，所以只能注册监听连接事件 SocketChannel是服务端与客户端连接建立后的通道，所以可以注册读写事件、连接事件 ByteBuffer就是Channel读取或写入数据的单位对象
下面搞个例子看看，注释全有：
服务端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 开启服务端Socket通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 打开多路复用器 并将其注册到通道上 监听连接请求事件
Selector selector = Selector.open();
// 为服务端Socket通道 注册一个接受连接的事件
// 假设有客户端要连接 下面轮询的时候就会触发这个事件 我们就可以去与客户端建立连接了
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
// 这段时间没获取到任何事件，则跳过下面操作
// 不同于IO和BIO的阻塞 多路复用器会一直轮询 如果长时间无事件 这里会一直空循环
// 所以这里在查询事件的时候加了个时间 这样无事件的情况下 1s才会循环一次
if (selector.select(1000) == 0) {
continue;
}
// 获取到本次轮询所获取到的全部事件
Iterator<SelectionKey> selectorKeys = selector.selectedKeys().iterator();
// 轮询获取到的事件，并处理
while (selectorKeys.hasNext()) {
SelectionKey selectorKey = selectorKeys.next();
//这个已经处理的事件Key一定要移除。如果不移除，就会一直存在在selector.selectedKeys集合中
//待到下一次selector.select() > 0时，这个Key又会被处理一次
selectorKeys.remove();
try {
// 事件key处理 也就是事件处理
selectorKeyHandler(selectorKey, selector);
} catch (Exception e) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + "客户端已断开连接");
if (selectorKey != null) {
selectorKey.cancel();
if (selectorKey.channel() != null) {
selectorKey.channel().close();
}
}
}
}
}
}
// 事件处理方法 按照事件类型处理不同的事件
public static void selectorKeyHandler(SelectionKey selectorKey, Selector selector) throws IOException {
// 连接事件 代表有客户端连接 所以需要去处理这个连接请求
if (selectorKey.isAcceptable()) {
acceptHandler(selectorKey, selector);
}
// 读事件 可以去读取信息
if (selectorKey.isReadable()) {
readHandler(selectorKey, selector);
}
// 写事件 可以向客户端发送信息
if (selectorKey.isWritable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
writeHandler(socketChannel);
// 写事件完成后要取消写事件不然会一直写 我这里就干脆注册了个读事件
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
}
// 连接事件处理 这个有客户端要建立连接了 所以accept与客户端建立连接
public static void acceptHandler(SelectionKey selectorKey, Selector selector) throws IOException {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) selectorKey.channel();
SocketChannel accept = channel.accept();
// 建立连接后 客户端和服务端就等于形成了一个数据交互的通道 SocketChannel
// 这个通道也要设置为非阻塞
accept.configureBlocking(false);
// 为这个通道注册一个读事件 表示我先读取客户端信息
accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(accept.getRemoteAddress() + "客户端已连接");
}
// 读事件处理 读取客户端的信息
public static void readHandler(SelectionKey selectorKey, Selector selector) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = channel.read(allocate);
if (read > 0) {
allocate.flip();
byte[] bytes = new byte[allocate.remaining()];
allocate.get(bytes);
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + "发来消息：" + new String(bytes));
}
if(read<0){
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + "断开连接");
}
// 读完信息后要给客户端发送信息 所以这个再注册一个写的事件
channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
// 写事件处理
public static void writeHandler(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
byte[] bytes = "你好".getBytes();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
allocate.put(bytes);
allocate.flip();
socketChannel.write(allocate);
}客户端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 开启一个Socket通道
SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
// 设置非阻塞
clientChannel.configureBlocking(false);
// 允许端口复用
clientChannel.socket().setReuseAddress(true);
// 连接地址
clientChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
// 开启多路复用器
Selector selector = Selector.open();
// 为这个通道注册一个连接事件
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
while (true) {
// 这段时间没获取到任何事件，则跳过下面操作
// 不同于IO和BIO的阻塞 多路复用器会一直轮询 如果长时间无事件 这里会一直空循环
// 所以这里在查询事件的时候加了个时间 这样无事件的情况下 1s才会循环一次
if (selector.select(1000) == 0) {
continue;
}
// 获取到本次轮询所获取到的全部事件
Iterator<SelectionKey> selectorKeys = selector.selectedKeys().iterator();
// 轮询获取到的事件，并处理
while (selectorKeys.hasNext()) {
SelectionKey selectorKey = selectorKeys.next();
//这个已经处理的事件Key一定要移除。如果不移除，就会一直存在在selector.selectedKeys集合中
//待到下一次selector.select() > 0时，这个Key又会被处理一次
selectorKeys.remove();
try {
// 事件key处理
selectorKeyHandler(selectorKey, selector);
} catch (Exception e) {
if (selectorKey != null) {
selectorKey.cancel();
if (selectorKey.channel() != null) {
selectorKey.channel().close();
}
}
}
}
}
}
// 事件处理方法
public static void selectorKeyHandler(SelectionKey selectorKey, Selector selector) throws IOException {
// 连接事件 判断是否连接成功
if (selectorKey.isValid()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
if (selectorKey.isConnectable() && channel.finishConnect()) {
System.out.println("连接成功........");
// 连接成功注册写事件 向服务端发送信息
channel.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
// 读事件 可以去读取信息
if (selectorKey.isReadable()) {
readHandler(selectorKey, selector);
}
// 写事件 可以向客户端发送信息
if (selectorKey.isWritable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
writeHandler(channel);
// 写事件完成后要取消写事件不然会一直写 我这里就干脆注册了个读事件
channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
}
// 读事件处理 就是处理服务端发来的消息
public static void readHandler(SelectionKey selectorKey, Selector selector) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectorKey.channel();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = channel.read(allocate);
if (read > 0) {
allocate.flip();
byte[] bytes = new byte[allocate.remaining()];
allocate.get(bytes);
System.out.println("服务端发来消息：" + new String(bytes));
}
if(read<0){
System.out.println("与服务端断开连接");
}
}
// 写事件处理 就是像服务端发送消息
public static void writeHandler(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
byte[] bytes = "你好".getBytes();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
allocate.put(bytes);
allocate.flip();
socketChannel.write(allocate);
}可以看到写法和传统的IO完全不一样了，操作的对象都是Channel，读写对象都是ByteBuffer，那到底是什么引起了这种改变呢？因为系统内核的优化，说白了这种操作都是API，底层都是需要系统支持的，系统在这块也有一个模型优化，简单介绍三种模型区别：
- select： 每有一个连接的产生会打开一个Socket描述符(下面简称FD)，select会把这些FD保存在一个数组中，因为是数组所以就代表有了容量的上限意味了连接数量的上限，每次调用，都会遍历这个数组，1w个连接就算只有一个事件，也会遍历这1w个连接，效率极低
- poll： 和select不同，这个底层结构是链表，所有没了连接数量的上限，但是每次调用依旧会遍历所有的
- epoll： 底层结构是红黑树，同样没有连接数量的上限，而且有一个就绪的事件列表，这意味着不再需要遍历所有的连接了
JDK中采用的就是epoll模型，但尽管这样也依旧是同步的，因为还是需要主动去获取结果，只是从方式阻塞等待变成了轮询，有没有什么方式在结果产生的时候异步的回调呢？于是有了AIO
AIO——异步IO
这种方式同样需要系统的支持，目前主流还是NIO，这块就不多介绍了，提供个例子：
服务端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 接收连接的时候 提供连接处理类
serverSocketChannel.accept(serverSocketChannel, new ServerSocketHandler());
// 异步的 防止程序退出
while (true) {
}
}
// 连接处理
public static class ServerSocketHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel> {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel result, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
// 继续接受连接
attachment.accept(attachment, this);
try {
System.out.println(result.getRemoteAddress() + " 已连接");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
new Thread(() -> {
// 异步读
readHandler(result);
}).start();
// 写数据处理
writeHandler(result, "你好");
}
@Override
public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
System.out.println("发生异常");
}
public void readHandler(AsynchronousSocketChannel socketChannel) {
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(allocate, allocate, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
try {
if (result > 0) {
attachment.flip();
byte[] bytes = new byte[attachment.remaining()];
attachment.get(bytes);
System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + " 客户端消息: " + new String(bytes));
readHandler(socketChannel);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
System.out.println();
try {
System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + " 已下线");
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
public void writeHandler(AsynchronousSocketChannel socketChannel, String data) {
byte[] bytes = data.getBytes();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
allocate.put(bytes);
allocate.flip();
socketChannel.write(allocate, allocate, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
if (attachment.hasRemaining()) {
socketChannel.write(attachment, attachment, this);
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}客户端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
AsynchronousSocketChannel socketChannel=AsynchronousSocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080), null, new AsyncClientHandler(socketChannel));
while (true){}
}
public static class AsyncClientHandler implements CompletionHandler<Void, AsyncClientHandler>{
private AsynchronousSocketChannel socketChannel;
public AsyncClientHandler(AsynchronousSocketChannel socketChannel){
this.socketChannel=socketChannel;
}
@Override
public void completed(Void result, AsyncClientHandler attachment) {
new Thread(()->{
// 异步 一秒发送一次消息
while (true){
writeHandler("你好");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 读处理
readHandler();
}
@Override
public void failed(Throwable exc, AsyncClientHandler attachment) {
}
public void readHandler() {
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(allocate, allocate, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
attachment.flip();
byte[] bytes = new byte[attachment.remaining()];
attachment.get(bytes);
System.out.println(" 服务端消息: " + new String(bytes));
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
public void writeHandler( String data) {
byte[] bytes = data.getBytes();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
allocate.put(bytes);
allocate.flip();
socketChannel.write(allocate, allocate, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
if (attachment.hasRemaining()) {
socketChannel.write(attachment, attachment, this);
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}总结
| BIO | 伪异步IO | NIO | AIO | |
| 线程:客户端 | 1:1 | N:M (M可以大于N) | 1:N (一个线程处理多个) | 0:M (无需额外线程,异步回调) |
| I/O类型 | 同步阻塞 | 伪异步阻塞 | 同步非阻塞 | 异步非阻塞 |
| 可靠性 | 非常差 | 差 | 高 | 高 |
| 难度 | 简单 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
| 性能 | 低 | 中 | 高 | 高 |
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