java网络编程

Published: by

NIO

  • 通道和缓冲区(Channels and Buffer):标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。
  • 选择器(Seletor):Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以使用一个选择器注册多个通道，并设置感兴趣的通道事件，然后使用一个单独的线程来“选择”已准备好的通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
  • 非阻塞模式:Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。 Java NIO可以让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。

PS:NIO解析数据可能比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

网络编程三类模型

  • BIO(blocking IO):

传统的BIO网络编程是同步阻塞型的， 传统的同步阻塞模型开发中，ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；等待Socket发起连接操作。通常使用一个独立的线程来负责监听客户端的连接，当连接成功后，服务端需要创建一个新的线程负责双方的通信，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信，即一连接一线程模型。这类网络模型在高并发的场景下，会实例出大量的线程，导致系统资源的耗费。你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合。

  • NIO(NO Blocking IO):

NIO网络编程是同步非阻塞型的，等同于多路复用的IO模型。如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。 但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。

  • AIO(Asynchronous IO)

AIO网络编程是异步非阻塞型的。以读操作为例，当发起一个读请求后，请求线程并不用关心通道中的数据何时准备就绪，也不用亲自对准备就绪后的数据进行处理，在发起读请求后请求线程可以接着做任何其他事情。此后内核将自动等待数据的到来，当通道中的数据准备就绪后，系统将自动调用事先指定好的处理器对数据进行处理。请求线程只需要调用相应的read/write方法，并且传入CompletionHandler(动作完成的处理器)就已经完成任务，后续的操作都会异步的自动完成。

相比NIO，AIO更加适合连接数较大且IO操作较重(单次IO传输的数据较大)的场景，例如相册服务器。

  • 三者之间的比较
    • 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：一个线程
    • AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程

举例

1.上班期间，公司内部1500余人口打开聊天工具进行工作交流，假设1s内一共进行50次通信，我们来看看这三种IO模型的资源消耗：【NIO最为适合】

  • BIO:服务器根据1500个连接需要分配1500个线程(考虑到BIO读写相互阻塞，这里应该是1500*2个线程)，这些线程各自独立完成读写操作
  • NIO:服务器根据连接创建通道，并且通过selector来管理这1500个通道，同时使用一个线程来监听来自这1500个通道的读写操作，这一个线程要保证在1s内完成50次读写操作（可以增加线程来管理这些通道，避免读写操作耗时较长影响到下一次对通道的监听）
  • AIO:不需要建立连接，1s内需要分配50个线程来完成有效的读写请求，线程之间相互独立

2.换一个场景，将TT聊天改成向相册服务器上传下载图片，这种场景AIO更为适合：如果使用NIO，需要使用有限的线程来处理这种数据量大(50张图片)的读写操作会相当耗时，严重地延后距离下一次监听读写操作的时间，而AIO使用50个有效的线程避免了这一问题