Java基础之《netty（2）—IO模型、BIO介绍、NIO介绍》

一、IO模型

1、I/O模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。

2、Java共支持3种网络编程模型I/O模式：BIO、NIO、AIO。

3、Java BIO：同步并阻塞（传统阻塞型）
原生Java IO，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。

4、Java NIO：同步非阻塞
服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。

5、Java AIO（NIO.2）：异步非阻塞
AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

二、BIO、NIO、AIO使用场景分析

1、BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。

2、NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。

3、AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

三、BIO基本介绍

1、Java BIO（blocking I/O）就是传统的java io编程，其相关的类和接口在java.io包中

四、BIO编程

1、BIO编程简单流程
（1）服务器端启动一个Server Socket。
（2）客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户，建立一个线程与其通信。
（3）客户端发出请求后，先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝。
（4）如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，才继续执行。

2、BIO应用实例
（1）使用BIO模型编写一个服务器端，监听6666端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通讯。
（2）要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。
（3）服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet方式即可）。

package netty.bio;
 
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
public class BIOServer {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// 线程池机制
 
		// 思路
		// 1. 创建一个线程池
		// 2. 如果有客户端连接了，就创建一个线程，与之通讯（单独写一个方法）
 
		ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
 
		// 创建一个ServerSocket
		ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
 
		System.out.println("服务器启动了");
 
		while (true) {
			// 监听，等待客户端连接
			final Socket socket = serverSocket.accept(); // 这里会阻塞
			System.out.println("连接到一个客户端了");
 
			// 启动一个线程
			newCachedThreadPool.execute(() -> {
				// run方法
				handler(socket);
			});
		}
	}
 
	// 编写一个handler方法，和客户端通讯
	public static void handler(Socket socket) {
		try {
			System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() + " 名字 name=" + Thread.currentThread().getName());
			byte[] bytes = new byte[1024];
			// 通过socket获取输入流
			InputStream inputStream = socket.getInputStream();
			// 循环读取客户端发送的数据
			while (true) {
				int read = inputStream.read(bytes);  这里会阻塞
				if (read != -1) {
					// 输出客户端发送的数据
					System.out.println(new String(bytes, 0, read));
				} else {
					// 读取完毕
					break;
				}
			}
 
		} catch (Exception ex) {
			ex.printStackTrace();
		} finally {
			try {
				// 关闭和client的连接
				socket.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

telnet怎么输入数据：
（1）输入ctrl + ]
（2）send命令发送字符串

五、BIO问题分析

1、每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据Read，业务处理，数据Write。

2、当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。

3、连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在Read操作上，造成线程资源浪费。

六、NIO基本介绍

1、Java NIO全称java non-blocking IO，是指JDK提供的新API。从JDK1.4开始，Java提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为NIO（即New IO），是同步非阻塞的。

2、NIO相关类都被放在java.io包及子包下，并且对原java.io包中的很多类进行改写。

3、NIO有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（缓冲）、Selector（选择器）

4、NIO是面向缓冲区，或者面向块编程的。数据读取到一个稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

5、其相关的类和接口在java.nio包中。

6、Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，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。

7、通俗理解，NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来，根据实际情况，可以分配50或100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。

8、HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。

七、NIO和BIO比较

1、BIO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据，块I/O的效率比流I/O高很多。
2、BIO是阻塞的，NIO则是非阻塞的。
3、BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel（通道）和Buffer（缓冲区）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。
4、Selector（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

八、NIO三大核心关系图

1、每个Channel都会对应一个Buffer。
2、Selector对应一个线程，一个线程对应多个Channel。
3、该图反应了有三个Channel注册到了该Selector。
4、程序切换到哪个Channel是由事件决定的。Event就是一个重要的概念。
5、Selector会根据不同的事件，在各个通道上切换。
6、Channel可以理解为一个stream。
7、Buffer就是一个内存块，底层是有一个数组的。
8、数据的读取写入是通过Buffer，这个和BIO有本质不同的。BIO中要么是输入流，或者是输出流，不能双向流动，但是NIO的Buffer是可以读也可以写。需要flip()方法切换。
9、Channel也是双向的，非阻塞的。可以返回底层操作系统的情况，比如Linux，底层的操作系统通道就是双向的。