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Java的BIO, NIO, AIO怎么实现

发表于：2024-11-16 作者：千家信息网编辑

千家信息网最后更新 2024年11月16日，本篇内容主要讲解"Java的BIO, NIO, AIO怎么实现"，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习"Java的BIO, NIO, AIO怎么实现"

千家信息网最后更新 2024年11月16日Java的BIO, NIO, AIO怎么实现

本篇内容主要讲解"Java的BIO, NIO, AIO怎么实现"，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习"Java的BIO, NIO, AIO怎么实现"吧!

从编程语言层面

BIO, NIO, AIO以Java的角度理解：

BIO，同步阻塞式IO，简单理解：一个连接一个线程
NIO，同步非阻塞IO，简单理解：一个请求一个线程
AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程

BIO

在JDK1.4之前，用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，然后，客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理，如果没有，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

public class PlainEchoServer {  public void serve(int port) throws IOException {    final ServerSocket socket = new ServerSocket(port); //Bind server to port    try {      while (true) {        //Block until new client connection is accepted        final Socket clientSocket = socket.accept();        System.out.println("Accepted connection from " + clientSocket);        //Create new thread to handle client connection        new Thread(new Runnable() {          @Override          public void run() {            try {              BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));              PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);              //Read data from client and write it back              while (true) {                writer.println(reader.readLine());                writer.flush();              }            } catch (IOException e) {              e.printStackTrace();              try {                clientSocket.close();              } catch (IOException ex) {                // ignore on close              }            }          }        }).start();        //Start thread      }    } catch (IOException e) {      e.printStackTrace();    }  }}

NIO

在Java里的由来，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O，我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成：缓冲区（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候，需要区分，说的是New I/O还是非阻塞IO，New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题：在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。 NIO基于Selector，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

public class PlainNioEchoServer {  public void serve(int port) throws IOException {    System.out.println("Listening for connections on port " + port);    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();    ServerSocket ss = serverChannel.socket();    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);    //Bind server to port    ss.bind(address);    serverChannel.configureBlocking(false);    Selector selector = Selector.open();    //Register the channel with the selector to be interested in new Client connections that get accepted    serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);    while (true) {      try {        //Block until something is selected        selector.select();      } catch (IOException ex) {        ex.printStackTrace();        //handle in a proper way        break;      }      //Get all SelectedKey instances      Set readyKeys = selector.selectedKeys();      Iterator iterator = readyKeys.iterator();      while (iterator.hasNext()) {        SelectionKey key = (SelectionKey) iterator.next();        //Remove the SelectedKey from the iterator        iterator.remove();        try {          if (key.isAcceptable()) {            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();            //Accept the client connection            SocketChannel client = server.accept();            System.out.println("Accepted connection from " + client);            client.configureBlocking(false);            //Register connection to selector and set ByteBuffer            client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(100));          }          //Check for SelectedKey for read          if (key.isReadable()) {            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();            ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();            //Read data to ByteBuffer            client.read(output);          }          //Check for SelectedKey for write          if (key.isWritable()) {            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();            ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();            output.flip();            //Write data from ByteBuffer to channel            client.write(output);            output.compact();          }        } catch (IOException ex) {          key.cancel();          try {            key.channel().close();          } catch (IOException cex) {          }        }      }    }  }}

AIO

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。

即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。

在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。

public class PlainNio2EchoServer {  public void serve(int port) throws IOException {    System.out.println("Listening for connections on port " + port);    final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);    // Bind Server to port    serverChannel.bind(address);    final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);    // Start to accept new Client connections. Once one is accepted the CompletionHandler will get called.    serverChannel.accept(null, new CompletionHandler() {      @Override      public void completed(final AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {        // Again accept new Client connections        serverChannel.accept(null, this);        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);        // Trigger a read operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was read        channel.read(buffer, buffer, new EchoCompletionHandler(channel));      }      @Override      public void failed(Throwable throwable, Object attachment) {        try {          // Close the socket on error          serverChannel.close();        } catch (IOException e) {          // ingnore on close        } finally {          latch.countDown();        }      }    });    try {      latch.await();    } catch (InterruptedException e) {      Thread.currentThread().interrupt();    }  }  private final class EchoCompletionHandler implements CompletionHandler {    private final AsynchronousSocketChannel channel;    EchoCompletionHandler(AsynchronousSocketChannel channel) {      this.channel = channel;    }    @Override    public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {      buffer.flip();      // Trigger a write operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was written      channel.write(buffer, buffer, new CompletionHandler() {        @Override        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {          if (buffer.hasRemaining()) {            // Trigger again a write operation if something is left in the ByteBuffer            channel.write(buffer, buffer, this);          } else {            buffer.compact();            // Trigger a read operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was read            channel.read(buffer, buffer, EchoCompletionHandler.this);          }        }        @Override        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {          try {            channel.close();          } catch (IOException e) {            // ingnore on close          }        }      });    }    @Override    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {      try {        channel.close();      } catch (IOException e) {        // ingnore on close      }    }  }}

实现原理

说道实现原理，还要从操作系统的IO模型上了解按照《Unix网络编程》的划分，IO模型可以分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步IO和异步IO。如何区分呢？首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

收到操作系统的IO模型，又不得不提select/poll/epoll/iocp。可以理解的说明是：在Linux 2.6以后，java NIO的实现，是通过epoll来实现的，这点可以通过jdk的源代码发现。而AIO，在windows上是通过IOCP实现的，在linux上还是通过epoll来实现的。这里强调一点：AIO，这是I/O处理模式，而epoll等都是实现AIO的一种编程模型；换句话说，AIO是一种接口标准，各家操作系统可以实现也可以不实现。在不同操作系统上在高并发情况下最好都采用操作系统推荐的方式。Linux上还没有真正实现网络方式的AIO。