多年好友心血力作，阿里资深技术专家十余年JVM生产实践经验
《从零开始带你成为JVM实战高手》
首先我们分别画图来看看，BIO、NIO、AIO，分别是什么？
BIO：传统的网络通讯模型，就是BIO，同步阻塞IO
它其实就是服务端创建一个ServerSocket， 然后就是客户端用一个Socket去连接服务端的那个ServerSocket， ServerSocket接收到了一个的连接请求就创建一个Socket和一个线程去跟那个Socket进行通讯。
接着客户端和服务端就进行阻塞式的通信，客户端发送一个请求，服务端Socket进行处理后返回响应。
在响应返回前，客户端那边就阻塞等待，上门事情也做不了。
这种方式的缺点：每次一个客户端接入，都需要在服务端创建一个线程来服务这个客户端
这样大量客户端来的时候，就会造成服务端的线程数量可能达到了几千甚至几万，这样就可能会造成服务端过载过高，最后崩溃死掉。
BIO模型图：
Acceptor：
传统的IO模型的网络服务的设计模式中有俩种比较经典的设计模式：一个是多线程， 一种是依靠线程池来进行处理。
如果是基于多线程的模式来的话，就是这样的模式，这种也是Acceptor线程模型。
NIO：
NIO是一种同步非阻塞IO, 基于Reactor模型来实现的。
其实相当于就是一个线程处理大量的客户端的请求，通过一个线程轮询大量的channel，每次就获取一批有事件的channel，然后对每个请求启动一个线程处理即可。
这里的核心就是非阻塞，就那个selector一个线程就可以不停轮询channel，所有客户端请求都不会阻塞，直接就会进来，大不了就是等待一下排着队而已。
这里面优化BIO的核心就是，一个客户端并不是时时刻刻都有数据进行交互，没有必要死耗着一个线程不放，所以客户端选择了让线程歇一歇，只有客户端有相应的操作的时候才发起通知，创建一个线程来处理请求。
NIO：模型图
Reactor模型:
AIO
AIO：异步非阻塞IO，基于Proactor模型实现。
每个连接发送过来的请求，都会绑定一个Buffer，然后通知操作系统去完成异步的读，这个时间你就可以去做其他的事情
等到操作系统完成读之后，就会调用你的接口，给你操作系统异步读完的数据。这个时候你就可以拿到数据进行处理，将数据往回写
在往回写的过程，同样是给操作系统一个Buffer，让操作系统去完成写，写完了来通知你。
这俩个过程都有buffer存在，数据都是通过buffer来完成读写。
这里面的主要的区别在于将数据写入的缓冲区后，就不去管它，剩下的去交给操作系统去完成。
操作系统写回数据也是一样，写到Buffer里面，写完后通知客户端来进行读取数据。
AIO：模型图
聊完了BIO，NIO，AIO的区别之后，现在我们再结合这三个模型来说下同步和阻塞的一些问题。
同步阻塞
为什么说BIO是同步阻塞的呢？
其实这里说的不是针对网络通讯模型而言，而是针对磁盘文件读写IO操作来说的。
因为用BIO的流读写文件，例如FileInputStrem，是说你发起个IO请求直接hang死，卡在那里，必须等着搞完了这次IO才能返回。
同步非阻塞:
为什么说NIO为啥是同步非阻塞？
因为无论多少客户端都可以接入服务端，客户端接入并不会耗费一个线程，只会创建一个连接然后注册到selector上去，这样你就可以去干其他你想干的其他事情了
一个selector线程不断的轮询所有的socket连接，发现有事件了就通知你，然后你就启动一个线程处理一个请求即可，这个过程的话就是非阻塞的。
但是这个处理的过程中，你还是要先读取数据，处理，再返回的，这是个同步的过程。
异步非阻塞
为什么说AIO是异步非阻塞？
通过AIO发起个文件IO操作之后，你立马就返回可以干别的事儿了，接下来你也不用管了，操作系统自己干完了IO之后，告诉你说ok了
当你基于AIO的api去读写文件时， 当你发起一个请求之后，剩下的事情就是交给了操作系统
当读写完成后， 操作系统会来回调你的接口， 告诉你操作完成
在这期间不需要等待， 也不需要去轮询判断操作系统完成的状态，你可以去干其他的事情。
同步就是自己还得主动去轮询操作系统，异步就是操作系统反过来通知你。所以来说， AIO就是异步非阻塞的。
NIO核心组件详细讲解
学习NIO先来搞清楚一些相关的概念，NIO通讯有哪些相关组件，对应的作用都是什么，之间有哪些联系？
多路复用机制实现Selector
首先我们来了解下传统的Socket网络通讯模型。
传统Socket通讯原理图
为什么传统的socket不支持海量连接？
每次一个客户端接入，都是要在服务端创建一个线程来服务这个客户端的
这会导致大量的客户端的时候，服务端的线程数量可能达到几千甚至几万，几十万，这会导致服务器端程序负载过高，不堪重负，最终系统崩溃死掉。
接着来看下NIO是如何基于Selector实现多路复用机制支持的海量连接。
NIO原理图
多路复用机制是如何支持海量连接？
NIO的线程模型对Socket发起的连接不需要每个都创建一个线程，完全可以使用一个Selector来多路复用监听N多个Channel是否有请求，该请求是对应的连接请求，还是发送数据的请求
这里面是基于操作系统底层的Select通知机制的，一个Selector不断的轮询多个Channel，这样避免了创建多个线程
只有当莫个Channel有对应的请求的时候才会创建线程，可能说1000个请求， 只有100个请求是有数据交互的
这个时候可能server端就提供10个线程就能够处理这些请求。这样的话就可以避免了创建大量的线程。
NIO如何通过Buffer来缓冲数据的
NIO中的Buffer是个什么东西 ？
学习NIO，首当其冲就是要了解所谓的Buffer缓冲区，这个东西是NIO里比较核心的一个部分
一般来说，如果你要通过NIO写数据到文件或者网络，或者是从文件和网络读取数据出来此时就需要通过Buffer缓冲区来进行。Buffer的使用一般有如下几个步骤：
写入数据到Buffer，调用flip()方法，从Buffer中读取数据，调用clear()方法或者compact()方法。
Buffer中对应的Position， Mark， Capacity，Limit都啥？
-
capacity：缓冲区容量的大小，就是里面包含的数据大小。
-
limit：对buffer缓冲区使用的一个限制，从这个index开始就不能读取数据了。
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position：代表着数组中可以开始读写的index， 不能大于limit。
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mark：是类似路标的东西，在某个position的时候，设置一下mark，此时就可以设置一个标记
后续调用reset()方法可以把position复位到当时设置的那个mark上。去把position或limit调整为小于mark的值时，就丢弃这个mark
如果使用的是Direct模式创建的Buffer的话，就会减少中间缓冲直接使用DirectorBuffer来进行数据的存储。
如何通过Channel和FileChannel读取Buffer数据写入磁盘的
NIO中，Channel是什么？
Channel是NIO中的数据通道，类似流，但是又有些不同
Channel既可从中读取数据，又可以从写数据到通道中，但是流的读写通常是单向的。
Channel可以异步的读写。Channel中的数据总是要先读到一个Buffer中，或者从缓冲区中将数据写到通道中。
FileChannel的作用是什么？
Buffer有不同的类型，同样Channel也有好几个类型。
-
FileChannel
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DatagramChannel
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SocketChannel
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ServerSocketChannel
这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。而FileChannel就是文件IO对应的管道， 在读取文件的时候会用到这个管道。
下面给一个简单的NIO实现读取文件的Demo代码
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public class FileChannelDemo1 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 构造一个传统的文件输出流 FileOutputStream out = new FileOutputStream( "F:\\development\\tmp\\hello.txt"); // 通过文件输出流获取到对应的FileChannel，以NIO的方式来写文件 FileChannel channel = out.getChannel(); // 将数据写入到Buffer中 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello world".getBytes()); // 通过FileChannel管道将Buffer中的数据写到输出流中去，持久化到磁盘中去 channel.write(buffer); channel.close(); out.close(); } }
NIOServer端和Client端代码案例
最后，给大家一个NIO客户端和服务端示例代码，简单感受下NIO通讯的方式。
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NIO通讯Client端
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import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; public class NIOClient { public static void main(String[] args) { for(int i = 0; i < 10; i++){ new Worker().start(); } } static class Worker extends Thread { @Override public void run() { SocketChannel channel = null; Selector selector = null; try { // SocketChannel，一看底层就是封装了一个Socket channel = SocketChannel.open(); // SocketChannel是连接到底层的Socket网络 // 数据通道就是负责基于网络读写数据的 channel.configureBlocking(false); channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9000)); // 后台一定是tcp三次握手建立网络连接 selector = Selector.open(); // 监听Connect这个行为 channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); while(true){ // selector多路复用机制的实现 循环去遍历各个注册的Channel selector.select(); Iterator<SelectionKey> keysIterator = selector.selectedKeys().iterator(); while(keysIterator.hasNext()){ SelectionKey key = (SelectionKey) keysIterator.next(); keysIterator.remove(); // 如果发现返回的时候一个可连接的消息 走到下面去接受数据 if(key.isConnectable()){ channel = (SocketChannel) key.channel(); if(channel.isConnectionPending()){ channel.finishConnect(); // 接下来对这个SocketChannel感兴趣的就是人家server给你发送过来的数据了 // READ事件，就是可以读数据的事件 // 一旦建立连接成功了以后，此时就可以给server发送一个请求了 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); buffer.put("你好".getBytes()); buffer.flip(); channel.write(buffer); } channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } // 这里的话就时候名服务器端返回了一条数据可以读了 else if(key.isReadable()){ channel = (SocketChannel) key.channel(); // 构建一个缓冲区 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 把数据写入buffer，position推进到读取的字节数数字 int len = channel.read(buffer); if(len > 0) { System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() + "]收到响应：" + new String(buffer.array(), 0, len)); Thread.sleep(5000); channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if(key.isWritable()) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); buffer.put("你好".getBytes()); buffer.flip(); channel = (SocketChannel) key.channel(); channel.write(buffer); channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally{ if(channel != null){ try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } if(selector != null){ try { selector.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } } }
-
NIO通讯Server端
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ClosedChannelException;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
public class NIOServer {
private static Selector selector;
private static LinkedBlockingQueue<SelectionKey> requestQueue;
private static ExecutorService threadPool;
public static void main(String[] args) {
init();
listen();
}
private static void init(){
ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
try {
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 将Channel设置为非阻塞的 NIO就是支持非阻塞的
serverSocketChannel.configureBlocking(false); serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9000), 100);
// ServerSocket，就是负责去跟各个客户端连接连接请求的
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 就是仅仅关注这个ServerSocketChannel接收到的TCP连接的请求
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
requestQueue = new LinkedBlockingQueue<SelectionKey>(500);
threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
for(int i = 0; i < 10; i++) {
threadPool.submit(new Worker());
}
}
private static void listen() {
while(true){
try{
selector.select();
Iterator<SelectionKey> keysIterator = selector.selectedKeys().iterator();
while(keysIterator.hasNext()){
SelectionKey key = (SelectionKey) keysIterator.next();
// 可以认为一个SelectionKey是代表了一个请求
keysIterator.remove();
handleRequest(key);
}
}
catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
}
}
}
private static void handleRequest(SelectionKey key)
throws IOException, ClosedChannelException {
// 后台的线程池中的线程处理下面的代码逻辑
SocketChannel channel = null;
try{
// 如果说这个Key是一个acceptable,也就是一个连接请求
if(key.isAcceptable()){
ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 调用accept这个方法 就可以进行TCP三次握手了
channel = serverSocketChannel.accept();
// 握手成功的话就可以获取到一个TCP连接好的SocketChannel
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 仅仅关注这个READ请求，就是人家发送数据过来的请求
}
// 如果说这个key是readable，是个发送了数据过来的话，此时需要读取客户端发送过来的数据
else if(key.isReadable()){
channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
// 通过底层的socket读取数据，写buffer中，position可能就会变成21之类的
// 你读取到了多少个字节，此时buffer的position就会变成多少
if(count > 0){
// 准备读取刚写入的数据，就是将limit设置为当前position，将position设置为0，丢弃mark。一般就是先写入数据，接着准备从0开始读这段数据，就可以用flip
// position = 0，limit = 21，仅仅读取buffer中，0~21这段刚刚写入进去的数据
buffer.flip();
System.out.println("服务端接收请求：" + new String(buffer.array(), 0, count));
channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if(key.isWritable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("收到".getBytes());
buffer.flip();
channel = (SocketChannel) key.channel();
channel.write(buffer);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}
catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
if(channel != null){
channel.close();
}
}
}
// 创建一个线程任务来执行
static class Worker implements Runnable {
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
SelectionKey key = requestQueue.take();
handleRequest(key);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleRequest(SelectionKey key)
throws IOException, ClosedChannelException {
// 假设想象一下，后台有个线程池获取到了请求
// 下面的代码，都是在后台线程池的工作线程里在处理和执行
SocketChannel channel = null;
try{
// 如果说这个key是个acceptable，是个连接请求的话
if(key.isAcceptable()){ System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() + "]接收到连接请求");
ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 调用accept方法 和客户端进行三次握手
channel = serverSocketChannel.accept(); System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() + "]建立连接时获取到的channel=" + channel);
// 如果三次握手成功了之后，就可以获取到一个建立好TCP连接的SocketChannel
// 这个SocketChannel大概可以理解为，底层有一个Socket，是跟客户端进行连接的
// 你的SocketChannel就是联通到那个Socket上去，负责进行网络数据的读写的
// 设置为非阻塞的
channel.configureBlocking(false);
// 关注的是Reade请求
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); }
// 如果说这个key是readable，是个发送了数据过来的话，此时需要读取客户端发送过来的数据
else if(key.isReadable()){
channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
// 通过底层的socket读取数据，写入buffer中，position可能就会变成21之类的
// 你读取到了多少个字节，此时buffer的position就会变成多少
System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() + "]接收到请求");
if(count > 0){
buffer.flip(); // position = 0，limit = 21，仅仅读取buffer中，0~21这段刚刚写入进去的数据
System.out.println("服务端接收请求：" + new String(buffer.array(), 0, count));
channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if(key.isWritable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("收到".getBytes());
buffer.flip();
channel = (SocketChannel) key.channel();
channel.write(buffer);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}
catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
if(channel != null){
channel.close();
}
}
}
}
}
总结:
通过本篇文章，主要是分析了常见的NIO的一些问题：
-
BIO， NIO， AIO各自的特点
-
什么同步阻塞，同步非阻塞，异步非阻塞
-
为什么NIO能够应对支持海量的请求
-
NIO相关组件的原理
-
NIO通讯的简单案例
本文仅仅是介绍了一下网络通讯的一些原理，应对面试来讲解
NIO通讯其实有很多的的东西，在中间件的研发过程中使用的频率还是非常高的，后续有机会再和大家分享交流。
END
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