I/O模型

I/O模型簡單理解就是用什么樣的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)生和接收，這個(gè)很大程度上覺得了程序通信的性能。
Java有三種網(wǎng)絡(luò)編程模型，分別是BIO、NIO和NIO。

BIO
同步并阻塞，一個(gè)連接一個(gè)線程，即客戶端有請求服務(wù)端就會(huì)開啟一個(gè)線程進(jìn)行處理。缺點(diǎn)就是如果這個(gè)連接不做任何事情就會(huì)造成不必要的線程開銷。

BIO示意圖

NIO
同步非阻塞，一個(gè)線程處理多個(gè)請求，客戶端請求會(huì)注冊到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請求就進(jìn)行處理。

NIO示意圖

AIO
異步非阻塞IO，AIO引入異步通道的概念，采用了Proactor模式，簡化了程序編寫，有效的請求才啟動(dòng)線程，它的特點(diǎn)是先由操作系統(tǒng)完成后才通知服務(wù)端程序啟動(dòng)程序去處理，一般適合用于連接數(shù)較多且連接時(shí)間較長的應(yīng)用。不常用，所以這里不做過多講解。

三種IO模型的應(yīng)用場景

BIO適合于鏈接數(shù)目較少且固定的架構(gòu)，這種方式對(duì)服務(wù)器的資源要求較高，JDK1.4之前的唯一選擇，程序簡單易理解。

NIO適合于連接數(shù)目較多且連接比較短的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器、服務(wù)期間通信等，編程較復(fù)雜。JDK1.4新增。

AIO適用于連接數(shù)多且連接時(shí)間較長的架構(gòu)。編程較復(fù)雜，JDK1.7開始支持。

BIO

Java BIO就是傳統(tǒng)的Java io編程，相關(guān)類和接口都在java.io包下。前面已經(jīng)說過，它是同步阻塞的，一個(gè)連接就啟動(dòng)一個(gè)線程，比較浪費(fèi)服務(wù)器資源。

需求: 使用BIO實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)器端，監(jiān)聽10000端口，當(dāng)客戶端連接時(shí)，就啟動(dòng)一個(gè)線程與之通訊，要求使用線程池。

public class BioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //1.創(chuàng)建一個(gè)線程池
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        //2.如果有請求, 就創(chuàng)建一個(gè)線程與之通信
        //創(chuàng)建服務(wù)端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10000);
        System.out.println("服務(wù)器啟動(dòng).");
        while (true){
            System.out.println("等待連接......");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有新連接");
            //創(chuàng)建一個(gè)線程與之通信
            pool.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    handler(socket);
                }
            });
        }
    }

    /**
     * 處理客戶端請求
     * @param socket
     */
    public static void handler(Socket socket){
        System.out.println("線程id: "+ Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("線程name: "+ Thread.currentThread().getName());
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while (true){
                int read = inputStream.read(bytes);
                if(read != -1){
                    //輸出客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));
                }else{
                    break;
                }
            }

        }catch (Exception e){

        }finally {
            try {
                System.out.println("關(guān)閉與客戶端的連接");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

NIO

Java non-blocking IO的縮寫，同步非阻塞，JDK1.4開始提供。
相關(guān)類和接口放在java.nio包下。

NIO三大核心概念

Channel（通道）、Buffer（緩沖區(qū)）、Selector（選擇器）

NIO是面向緩沖區(qū)的編程

請求數(shù)據(jù)會(huì)先讀取到一個(gè)緩沖區(qū)，需要時(shí)可以在緩沖區(qū)中前后移動(dòng)，這樣增加了處理過程的靈活性。

NIO是非阻塞的

請求要寫入一些數(shù)據(jù)到某個(gè)通道，不需要等待寫完，這個(gè)線程就可以去干別的事去。

NIO vs BIO

1.BIO以流的方式處理數(shù)據(jù)，NIO以塊的方式處理數(shù)據(jù)，塊I/O的效率比流I/O的效率高很多
2.BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的
3.BIO基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作，NIO基于Channel（通道）和Buffer（緩沖區(qū)）進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)或從緩沖區(qū)寫入到通道，Selector（選擇器）用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件，比如連接請求、數(shù)據(jù)到達(dá)等，因此使用單個(gè)線程就可以監(jiān)聽多個(gè)客戶端通道。

Channel、Buffer和Selector的關(guān)系

1.一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)Selector
2.一個(gè)Channel對(duì)應(yīng)一個(gè)Buffer
3.Selector會(huì)根據(jù)不同的事件，在各個(gè)Channel上切換
4.Buffer就是一個(gè)內(nèi)存塊，底層是一個(gè)數(shù)組
5.數(shù)據(jù)的讀取寫入都是通過Buffer，Channel是雙向的。

Channel、Buffer和Selector的關(guān)系圖

緩沖區(qū)(Buffer)

緩沖區(qū)的本質(zhì)其實(shí)就是一個(gè)可以讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，可以理解成一個(gè)容器對(duì)象，該對(duì)象提供了一系列方法，可以輕松的使用內(nèi)存塊。

• Buffer類

  
  
  類的層級(jí)關(guān)系圖
  
  

  Buffer中定義了4個(gè)屬性來提供關(guān)于所包含的數(shù)據(jù)元素的信息

  
  
  Buffer的4個(gè)屬性

通道(Channel)

通道可以同時(shí)進(jìn)行讀寫，流只能讀或只能寫，通道可以實(shí)現(xiàn)異步讀取數(shù)據(jù)，通道可以從緩沖讀取數(shù)據(jù)，也可以寫數(shù)據(jù)到緩沖。
Channel是一個(gè)接口，常用的實(shí)現(xiàn)類有FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel、SocketChannel等

• FileChannel

用于本地文件的數(shù)據(jù)讀寫

常用方法
read : 從通道讀取數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)
write : 把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到通道
transferFrom : 從目標(biāo)通道復(fù)制數(shù)據(jù)到當(dāng)前通道
transferTo : 把數(shù)據(jù)從當(dāng)前通道復(fù)制給目標(biāo)通道

需求: 使用ByteBuffer和FileChannel將"Hello Nio"寫入到a.txt文件中

public static void main(String[] args) throws Exception{

    //1.創(chuàng)建輸出流
    String str = "Hello Nio";
    FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a.txt");

    //2.獲取對(duì)應(yīng)的FileChannel
    FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();

    //3.創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    byteBuffer.put(str.getBytes());
    byteBuffer.flip();

    //4.將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到FileChannel
    channel.write(byteBuffer);
    fileOutputStream.close();

}

需求：使用ByteBuffer和FileChannel，將a.txt文件中的輸出到控制臺(tái)

public static void main(String[] args) throws  Exception{
    File file = new File("d:\\a.txt");
    FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
    FileChannel channel = fis.getChannel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int)file.length());
    channel.read(buffer);
    System.out.println(new String(buffer.array()));
    fis.close();
}

需求: 使用FileChannel和方法write和read完成文件拷貝

public static void main(String[] args) throws Exception{
    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.txt");
    FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\b.txt");
    FileChannel channel1 = fileInputStream.getChannel();
    FileChannel channel2 = fileOutputStream.getChannel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
    while (true){
        //清空buffer
        buffer.clear();
        int read = channel1.read(buffer);
        if(read == -1){
            break;
        }
        //將buffer中的數(shù)據(jù)寫入到channel2
        buffer.flip();
        channel2.write(buffer);
    }
    fileInputStream.close();
    fileOutputStream.close();
}

需求: 使用FileChannel和方法transferFrom完成文件拷貝

public static void main(String[] args) throws Exception {
    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.txt");
    FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\b.txt");
    FileChannel channel1 = fileInputStream.getChannel();
    FileChannel channel2 = fileOutputStream.getChannel();
    channel2.transferFrom(channel1, 0, channel1.size());
    channel1.close();
    channel2.close();
    fileInputStream.close();
    fileOutputStream.close();
}

• DatagramChannel

用于UDP的數(shù)據(jù)讀寫

• ServerSocketChannel和SocketChannel

用于TCP數(shù)據(jù)的讀寫

Selector(選擇器）

一個(gè)線程處理多個(gè)客戶單連接，就會(huì)使用Selector，Selector能檢測多個(gè)注冊的通道上是否有事件發(fā)生，如果事件發(fā)送，便獲取事件然后對(duì)事件進(jìn)行相應(yīng)的處理。并且還可以避免多線程之間上下文切換導(dǎo)致的開銷。

• 常用方法

open() : 得到一個(gè)選擇器對(duì)象
select() : 一直阻塞，監(jiān)控所有注冊的通道，當(dāng)其中有IO操作，將對(duì)應(yīng)的SelectionKey加入到內(nèi)部集合并返回
select(1000) : 阻塞1000毫秒
selectedKeys() : 從內(nèi)部集合中得到所以的SelectionKey
wakeup() : 喚醒selector
selectNow() : 不阻塞，立馬返回

注: 這些方法的使用后面都會(huì)有具體的案例講解。

Nio入門案例

需求：實(shí)現(xiàn)服務(wù)端和客戶端之間的數(shù)據(jù)通信（非阻塞）

在案例開始先說幾個(gè)概念

• ServerSocketChannel

在服務(wù)端監(jiān)聽新的客戶端Socket連接

方法
open() : 得到一個(gè)ServerSocketChannel通道
configureBlocking(boolean block) : 設(shè)置阻塞和非阻塞模式，false為非阻塞
accept() : 接受一個(gè)連接，返回代表這個(gè)連接的通道對(duì)象
register() : 注冊一個(gè)選擇器并設(shè)置監(jiān)聽事件

• SocketChannel

網(wǎng)絡(luò)IO通道，負(fù)責(zé)讀寫操作

方法
open() : 獲取一個(gè)SocketChannel通道
configureBlocking(boolean block) : 設(shè)置阻塞和非阻塞模式，false為非阻塞
connect(SocketAddress remote) : 連接服務(wù)器
finishConnect() : 如果連接失敗，使用該方法繼續(xù)完成連接
write(ByteBuffer src) : 往通道里寫數(shù)據(jù)
read(ByteBuffer dst) : 從通道里讀數(shù)據(jù)
register(Selector sel, int ops, Object att) : 注冊一個(gè)選擇器并指定監(jiān)聽事件，最后一個(gè)參數(shù)設(shè)置共享數(shù)據(jù)
close() : 關(guān)閉通道

• SelectionKey

表示Selector和網(wǎng)絡(luò)通道的注冊關(guān)系，共有4種：
OP_ACCEPT : 有新的連接可以accept
OP_CONNECT : 代表連接已建立
OP_READ : 讀操作
OP_WRITE : 寫操作

方法
selector() : 得到與之關(guān)聯(lián)的Selector對(duì)象
channel() : 得到與之關(guān)聯(lián)的通道
attachment() : 得到與之關(guān)聯(lián)的Buffer
isAcceptable() : 是否可以accept
isReadable() : 是否可以讀
isWritable() : 是否可以寫

• 服務(wù)端

public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //1.創(chuàng)建
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //2.創(chuàng)建Selector
        Selector selector = Selector.open();

        //3.綁定端口并監(jiān)聽端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));
        //設(shè)置為非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //4.把serverSocketChannel注冊到selector上, 并監(jiān)聽OP_ACCEPT事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        //5.循環(huán)等待客戶端連接
        while (true){
            //等待1秒
            int select = selector.select(1000);
            //等于0, 表示沒有事件發(fā)送, 就返回
            if (select == 0){
                System.out.println("服務(wù)器等待了1秒, 無連接");
                continue;
            }
            //返回>0, 說明獲取到事件, 獲取所有事件的集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            //遍歷集合
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
            while (keyIterator.hasNext()){
                //獲取SelectionKey, 并根據(jù)SelectionKey對(duì)應(yīng)的通道所發(fā)生的事件類型做對(duì)應(yīng)處理
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                //OP_ACCEPT, 有新的客戶端連接了
                if(key.isAcceptable()){
                    //為該客戶端生成一個(gè)SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("有新客戶端: "+socketChannel.hashCode());
                    //將SocketChannel設(shè)置為非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //將SocketChannel注冊到selector, 監(jiān)聽時(shí)間為OP_READ, 同時(shí)給SocketChannel關(guān)聯(lián)一個(gè)Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                }
                //OP_READ, 有新消息
                if(key.isReadable()){
                    //根據(jù)key獲取對(duì)應(yīng)的channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
                    //根據(jù)key獲取對(duì)應(yīng)的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("客戶單消息: "+ new String(buffer.array()));
                }
                //手動(dòng)從集合中移除當(dāng)前的selectionKey, 防止重復(fù)操作
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }

}

• 客戶端

public class NioClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //1.創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //設(shè)置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //2.連接服務(wù)器
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 10000);
        if(!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){
            while (!socketChannel.finishConnect()){
                System.out.println("正在連接服務(wù)器中....");
            }
        }
        //3.連接成功, 發(fā)送數(shù)據(jù)
        String str = "Hello NioServer";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();

    }

}

就整理這么多吧