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3-彤哥说netty系列之Java-BIO-NIO-AIO进化史

jiezi

你好，我是彤哥，本篇是 netty 系列的第三篇。

欢迎来我的公从号 彤哥读源码 系统地学习 源码 & 架构 的知识。

简介

上一章我们介绍了 IO 的五种模型，实际上 Java 只支持其中的三种，即 BIO/NIO/AIO。

本文将介绍 Java 中这三种 IO 的进化史，并从使用的角度剖析它们背后的故事。

Java BIO

BIO 概念解析

BIO，Blocking IO，阻塞 IO，它是 Java 的上古产品，自出生就有的东西（JDK 1.0）。

使用 BIO 则数据准备和数据从内核空间拷贝到用户空间两个阶段都是阻塞的。

BIO 使用案例

public class EchoServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        while (true) {System.out.println("start accept");
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("new conn:" + socket.getRemoteSocketAddress());

            new Thread(()->{
                try {BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                    String msg;
                                        // 读取消息，本文来源公从号彤哥读源码
                    while ((msg = reader.readLine()) != null) {if (msg.equalsIgnoreCase("quit")) {reader.close();
                            socket.close();
                            break;
                        } else {System.out.println("receive msg:" + msg);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {e.printStackTrace();
                }
            }).start();}
    }
}

客户端可以使用 telnet 来测试，而且你可以使用多个 telnet 来测试：

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080


Connecting to 127.0.0.1:8080...
Connection established.
To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'.
hello world
我是人才
quit
Connection closed by foreign host.

BIO 的使用方式非常简单，服务端接收到一个连接就启动一个线程来处理这个连接的所有请求。

所以，BIO 最大的缺点就是浪费资源，只能处理少量的连接，线程数随着连接数线性增加，连接越多线程越多，直到抗不住。

Java NIO

NIO 概念解析

NIO，New IO，JDK1.4 开始支持，内部是基于多路复用的 IO 模型。

这里有个歧义，很多人认为 Java 的 NIO 是 Non-Blocking IO 的缩写，其实并不是。

使用 NIO 则多条连接的数据准备阶段会阻塞在 select 上，数据从内核空间拷贝到用户空间依然是阻塞的。

因为第一阶段并不是连接本身处于阻塞阶段，所以通常来说 NIO 也可以看作是同步非阻塞 IO。

NIO 使用案例

public class EchoServer {public static void main(String[] args) throws IOException {Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将 accept 事件绑定到 selector 上
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 阻塞在 select 上
            selector.select();
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 遍历 selectKeys
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                // 如果是 accept 事件
                if (selectionKey.isAcceptable()) {ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                    SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                    System.out.println("accept new conn:" + socketChannel.getRemoteAddress());
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    // 如果是读取事件，本文来源公从号彤哥读源码
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    // 将数据读入到 buffer 中
                    int length = socketChannel.read(buffer);
                    if (length > 0) {buffer.flip();
                        byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                        // 将数据读入到 byte 数组中
                        buffer.get(bytes);

                        // 换行符会跟着消息一起传过来
                        String content = new String(bytes, "UTF-8").replace("\r\n", "");
                        if (content.equalsIgnoreCase("quit")) {selectionKey.cancel();
                            socketChannel.close();} else {System.out.println("receive msg:" + content);
                        }
                    }
                }
                iterator.remove();}
        }
    }
}

这里同样使用 telnet 测试，而且你可以使用多个 telnet 来测试：

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080


Connecting to 127.0.0.1:8080...
Connection established.
To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'.
hello world
我是人才
quit
Connection closed by foreign host.

NIO 的使用方式就有点复杂了，但是一个线程就可以处理很多连接。

首先，需要注册一个 ServerSocketChannel 并把它注册到 selector 上并监听 accept 事件，然后 accept 到连接后会获取到 SocketChannel，同样把 SocketChannel 也注册到 selector 上，但是监听的是 read 事件。

NIO 最大的优点，就是一个线程就可以处理大量的连接，缺点是不适合处理阻塞性任务，因为阻塞性任务会把这个线程占有着，其它连接的请求将得不到及时处理。

Java AIO

AIO 概念介绍

AIO，Asynchronous IO，异步 IO，JDK1.7 开始支持，算是一种比较完美的 IO，Windows 下比较成熟，但 Linux 下还不太成熟。

使用异步 IO 则会在请求时立即返回，并在数据已准备且已拷贝到用户空间后进行回调处理，两个阶段都不会阻塞。

AIO 使用案例

public class EchoServer {public static void main(String[] args) throws IOException {AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 监听 accept 事件，本文来源公从号彤哥读源码
        serverSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {System.out.println("accept new conn:" + socketChannel.getRemoteAddress());
                    // 再次监听 accept 事件
                    serverSocketChannel.accept(null, this);

                    // 消息的处理
                    while (true) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        // 将数据读入到 buffer 中
                        Future<Integer> future = socketChannel.read(buffer);
                        if (future.get() > 0) {buffer.flip();
                            byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                            // 将数据读入到 byte 数组中
                            buffer.get(bytes);

                            String content = new String(bytes, "UTF-8");
                            // 换行符会当成另一条消息传过来
                            if (content.equals("\r\n")) {continue;}
                            if (content.equalsIgnoreCase("quit")) {socketChannel.close();
                                break;
                            } else {System.out.println("receive msg:" + content);
                            }
                        }
                    }
                } catch (Exception e) {e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {System.out.println("failed");
            }
        });

        // 阻塞住主线程
        System.in.read();}
}

这里同样使用 telnet 测试，而且你可以使用多个 telnet 来测试：

[c:\~]$ telnet 127.0.0.1 8080


Connecting to 127.0.0.1:8080...
Connection established.
To escape to local shell, press 'Ctrl+Alt+]'.
hello world
我是人才
quit
Connection closed by foreign host.

AIO 的使用方式不算太复杂，默认会启一组线程来处理用户的请求，而且如果在处理阻塞性任务，还会自动增加新的线程来处理其它连接的任务。

首先，创建一个 AsynchronousServerSocketChannel 并调用其 accept 方法，这一步相当于监听了 accept 事件，在收到 accept 事件后会获取到 AsynchronousSocketChannel，然后就可以在回调方法 completed()里面读取数据了，当然也要继续监听 accept 事件。

AIO 最大的优点，就是少量的线程就可以处理大量的连接，而且可以处理阻塞性任务，但不能大量阻塞，否则线程数量会膨胀。

槽点

（1）三种 IO 的实现方式中对于换行符的处理竟然都不一样，BIO 中不会把换行符带过来（其实是带过来了，因为用了 readLine()方法，所以换行符没了），NIO 中会把换行符加在消息末尾，AIO 中会把换行符当成一条新的消息传过来，很神奇，为啥不统一处理呢，也很疑惑。

（2）JDK 自带的 ByteBuffer 是一个难用的东西。

总结

本文我们从概念和使用两个角度分别介绍了 BIO/NIO/AIO 三种 IO 模型。

问题

看起来 JDK 的实现似乎很完美啊，为什么还会有 Netty 呢？

最后，也欢迎来我的公从号 彤哥读源码 系统地学习 源码 & 架构 的知识。

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