BIO、NIO线程模型

浅浅的花香味﹌ 2024-03-16 21:13 15阅读 0赞

### **BIO(Blocking IO)** ###

**BIO(Blocking IO)：**同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程，即：一个线程处理一个客户端请求。  
单线程版本： 服务端在处理完第一个客户端的所有事件之前，无法为其他客户端提供服务。  
多线程版本：如果出现大量只连接不发数据的话，那么就会一直占用线程，浪费服务器资源。  
线程池版本：用线程池根本不能根本的解决问题。假如我们有500个线程组成一个线程池，我们用这500个线程去为客户端服务。那么，假设前500个客户端请求进来，被占满了这500个线程，并且这500个客户端连接只连接不发数据，那么我们的服务端不就崩掉了吗？因为我们服务端最多只能处理500个客户端连接，而你后面进来的，不管多少都会被我们的服务端拒之门外，所以用线程池也不能解决这个问题。

public class SocketServer {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //创建了服务端，绑定到了9001端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9001);
            while (true) {
                System.out.println("等待连接..");
                //阻塞方法
                Socket clientSocket = serverSocket.accept(); //监听客户端的连接，有客户端的连接代码才会往下走，没有连接就会阻塞在这里
                System.out.println("有客户端连接了..");
    
                            //1.单线程版本
                //handler(clientSocket);
    
                //2.多线程版本
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        try {
                            handler(clientSocket);
                        } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }).start();
    
                //3.线程池版本
                ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
                executorService.execute(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        try {
                            handler(clientSocket);
                        } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                });
            }
        }
    
        //handler方法是处理客户端事件的方法，比如客户端发来数据，在这里我们就做打印处理
        private static void handler(Socket clientSocket) throws Exception {
                byte[] bytes = new byte[1024];
                System.out.println("准备read..");
                //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
                int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
                System.out.println("read完毕。。");
                if (read != -1) {
                    System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
                }
        }
    }

## NIO(Non Blocking IO) ##

**NIO模型1.0版本（早期版本）**

一个线程无限循环去list（存放着客户端连接）轮训，检查是否有读写请求，如果有则处理，如果没有跳过。这个版本如果连接数特别多的话，会有大量的无效遍历，假如有1000个客户端连接，只有其中100个有读写事件，那么还是会循环1000次，其中的900次循环都是无效的。

public class NioServer {
    
        // 保存客户端连接
        static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
    
            // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似，即创建了服务端并绑定了9001端口
            ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9001));
            // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
            serverSocket.configureBlocking(false);
            System.out.println("服务启动成功");
    
            while (true) {
                // 非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞
                // NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
                SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
                if (socketChannel != null) { // 如果有客户端进行连接
                    System.out.println("连接成功");
                    // 设置SocketChannel为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 保存客户端连接在List中
                    channelList.add(socketChannel);
                }
                // 遍历连接进行数据读取  读写事件
                Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SocketChannel sc = iterator.next();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    // 非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞
                    int len = sc.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据，把数据打印出来，整个过程是一个main线程在处理
                    if (len > 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉
                        iterator.remove();
                        System.out.println("客户端断开连接");
                    }
                }
            }
        }
    }

**NIO模型2.0版本（启用多路复用器，jdk1.4以上）**

客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1.4开始引入。这个版本进行了很大程度的优化，当客户端连接以后，如果有读写事件，则会加入一个队列里，处理事件的线程会阻塞等待这个队列里有新的元素之后处理事件。

步骤：

1.  创建ServerSocketChannel服务端
2.  创建多路复用器Selector（ 每个操作系统创建出来的是不一样的，Centos创建的是EPollSelectorProviderImpl，Windows创建的是WindowsSelectorImpl，其实就是Linux的Epoll实例EPollArrayWrapper）
3.  ServerSocketChannel将建立连接事件注册到Selector中（register方法往EPollArrayWrapper中添加元素）
4.  处理事件
    
    1.  如果是建立连接事件，则把客户端的读写请求也注册到Selector中
    2.  如果是读写事件则按业务处理

public class NioSelectorServer {
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            //指定感兴趣的操作类型为 OP_ACCEPT
            int OP_ACCEPT = 1 << 4;
            System.out.println(OP_ACCEPT);
    
            // 创建NIO ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9001));
            // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
            serverSocket.configureBlocking(false);
            // 打开Selector处理Channel，即创建epoll，这里启用了多路复用器是与NIO1.0版本最大的区别
            Selector selector = Selector.open();
            // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣（把连接事件注册到多路复用器里面）
            SelectionKey selectionKey = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//通过 SelectionKey.OP_ACCEPT 来识别和处理接受连接事件。
            System.out.println("服务启动成功");
    
            while (true) {
                // 阻塞等待需要处理的事件发生 已注册事件发生后，会执行后面逻辑
                selector.select();
    
                // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
    
                // 遍历SelectionKey对事件进行处理
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 如果是OP_ACCEPT事件（连接事件），则进行连接获取和事件注册
                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel socketChannel = server.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                        SelectionKey selKey = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        System.out.println("客户端连接成功");
                    } else if (key.isReadable()) {  // 如果是OP_READ事件（读事件），则进行读取和打印
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                        int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                        // 如果有数据，把数据打印出来
                        if (len > 0) {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +  "接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                        } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                            System.out.println("客户端断开连接");
                            socketChannel.close();
                        }
                    }
                    //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                    iterator.remove();
                }
            }
        }
    }

**Redis线程模型**

Redis就是典型的基于epoll的NIO线程模型(nginx也是)，epoll实例收集所有事件(连接与读写事件)，由一个服务端线程连续处理所有事件命令。