Java IO模型BIO、NIO、AIO介绍

第一章 BIO、NIO、AIO课程介绍

1.1 课程说明

  在java的软件设计开发中，通信架构是不可避免的，我们在进行不同系统或者不同进程之间的数据交互，或者在高并发下的通信场景下都需要用到网络通信相关的技术，对于一些经验丰富的程序员来说，Java早期的网络通 信架构存在一些缺陷，其中最令人恼火的是基于性能低下的同步阻塞式的I/O通信（BIO)，随着互联网开发下通 信性能的高要求，Java在2002年开始支持了非阴塞式的I/O通信技术（NIO)。
  大多数读者在学习网络通信相关技术的 时候，都只是接触到零碎的通信技术点，没有完整的技术体系架构，以至于对Java的通信场景总是没有清晰的解决方案。本次课程将通过大量清晰直接的案例从最基础的BlO式通信开始介绍到NIO、AIO，读者可以清晰的了解到阻塞、同步、异步的现象、概念和特征以及优缺点。本课程结合了大量的案例让读者可以快速了解每种通信架构的使用。

1.2 本课程学习要求

• 本课程不太适合完全0基础学员
• 至少需要掌握：java SE基础编程，如java多线程，java IO流编程，java网络基础知识（如：IP，端口，协议），常用的Java设计模式要有一定的了解。
• 能熟练掌握Java OOP编程，有一定的编程思维。

1.3 通信技术整体解决的问题

• 局域网内的通信要求
• 多系统间的底层消息传递机制
• 高并发下，大数据量的通信场景需要，如netty
• 游戏行业，无论是手游服务端，还是大型的网络游戏，java语言都得到越来越广泛的应用

第二章 Java的I/O演进之路

2.1 I/O模型基本说明

I/O模型：就是用什么样的通道或者说是通信模式和架构进行数据的传输和接收，很大程度上决定了程序通信的性能 , Java共支持3种网络编程的I/O模型：BlO. NIO. AlO
实际通信需求下，要根据不同的业务场景和性能需求决定选择不同的I/O模型

2.2 I/O模型

Java BIO
同步并阻塞（传统阻塞型），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【简单示意图 】

java NIO
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【简单示意图】

java AIO
java AIO(NIO.2)：异步异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完 成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

2.3 BIO、NIO、AIO适用场景分析

1、 BIO方式适用于连接数目比小且固定的架构，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。

第三章 JAVA BIO深入剖析

3.1 Java BIO基本介绍

• Java BlO就是传统的Java IO编程，其相关的类和接口在Java.io 包中
• BIO(blocking I/O)同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善（实现多个客户连接服务器）.

3.2 java BIO工作机制

#3.3 传统的BIO编程实例回顾

  网络编程的基本模型是Client/Server模型，也就是两个进程之间进行相互通信，其中服务端提供位置信息（绑定IP地址和端口），客户端通过连接操作向服务端监听的端口地址发起连接请求，基于TCP协议下进行三次握手连接，连接成功后，双方通过网络套接字（Socket）进行通信。
  传统的同步阻塞模型开发中，服务端ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；客户端Socket负责发起连接操作。连接成功后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信。
  基于BIO模式下的通信，客户端-服务端是完全同步，完全藕合的。
服务端案例如下:

/*** 目标：客户端发送消息，服务端接收消息*/
public class Server {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("===服务端启动===");//1.定义一个ServerSocket对象进行服务端的端口注册ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);//2. 监听客户端的Socket连接请求Socket socket = ss.accept();//3.从socket管道中得到一个字节输入流对象InputStream is = socket.getInputStream();//4.把字节输入流包装成一个缓存字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;/*while ((msg = br.readLine()) != null){System.out.println("服务端接收到：" + msg);}*/if ((msg = br.readLine()) != null){System.out.println("服务端接收到：" + msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

客户端案例如下：

/**
* 客户端
*/
public class Client {public static void main(String[] args) {try {//1.创建Socket对象请求服务端的连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9999);//2.从Socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3.把字节输出流包装成一个打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);//ps.print("hello World! 服务端，你好");ps.println("hello World! 服务端，你好");ps.flush();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

输出:

===服务端启动===
服务端接收到：hello World! 服务端，你好

小结

• 在以上通信中，服务端会一直等待客户端的消息，如果客户端没有进行消息的发送，服务端将一直进入阻塞状态
• 同时服务端是按照行获取消息的，这意味着客户端也必须按照行进行消息的发送，否则服务端将进入等待消息的阻塞状态！

3.4 BIO模式下多发和多收消息

在上面的案例中，只能实现客户端发送消息，服务端接收消息，并不能实现反复的收消息和反复的发消息，我们只需要在客户端案例中，加上反复按照行发送消息的逻辑即可！ 案例代码如下：
服务端代码如下

/**
* 目标：服务端可以反复的接收消息，客户端可以反复的发送消息
*/
public class Server {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("===服务端启动===");//1.定义一个ServerSocket对象进行服务端的端口注册ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);//2. 监听客户端的Socket连接请求Socket socket = ss.accept();//3.从socket管道中得到一个字节输入流对象InputStream is = socket.getInputStream();//4.把字节输入流包装成一个缓存字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;while ((msg = br.readLine()) != null){System.out.println("服务端接收到：" + msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

客户端代码如下

/**
* 客户端
*/
public class Client {public static void main(String[] args) {try {//1.创建Socket对象请求服务端的连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1",9999);//2.从Socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3.把字节输出流包装成一个打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true){System.out.print("请说：");String msg = sc.nextLine();ps.println(msg);ps.flush();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

输入输出：

客户端：
请说：hello
请说：what are you doing?
请说：
服务端：
===服务端启动===
服务端接收到：hello
服务端接收到：what are you doing?

3.5 BIO模式下接收多个客户端

概述
在上述的案例中，一个服务端只能接收一个客户端的通信请求，那么如果服务端需要处理很多个客户端的消息通信请求应该如何处理呢，此时我们就需要在服务端引入线程了，也就是说客户端每发起一个请求，服务端就创建一个新的线程来处理这个客户端的请求，这样就实现了一个客户端一个线程的模型，图解模式如下：

未完待续。。。。