IO模型

IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java一共支持3种网络编程IO模式：BIO和NIO，AIO。

BIO （Blocking IO）

这个是同步阻塞的模型，一个客户端只能链接对应处理一个线程。在这里插入图片描述
代码示例：

package com.atzxm.bio;

/**
 * @author zhouximin
 * @create 2021-01-17-下午7:13
 */
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
    
    
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            handler(clientSocket);

            /*new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();*/
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
    
    
        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));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}

缺点：
- IO代码里read操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源
- 如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K问题
应用场景
- 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，但程序简单易理解。

NIO(Non Blocking IO)

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，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。
应用场景：
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，编程比较复杂
NIO非阻塞代码示例：

package com.atzxm.nio;


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class NioServer {
    
    

    // 保存客户端连接
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    
    

        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 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
            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
                if (len > 0) {
    
    
                    System.out.println("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");
                }
            }
        }
    }
}

通过一个 channelList 保存所有的经过serverSocket.accept()拿到的Channel。然后会去遍历所有的channelList去尝试读取数据。但是有一些只是创建了连接，并没有发送数据所有会有很多无效Channel。
总结：如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有10000个连接，其中只有1000个连接有写数据，但是由于其他9000个连接并没有断开，我们还是要每次轮询遍历一万次，其中有十分之九的遍历都是无效的，这显然不是一个让人很满意的状态。

NIO引入多路复用器代码示例:

package com.atzxm.nio;


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorServer {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    
    

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        //ServerSocketChannel serverSocket2 = ServerSocketChannel.open();
        //绑定端口
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //serverSocket2.socket().bind(new InetSocketAddress(9001));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        //serverSocket2.configureBlocking(false);
        // 打开Selector处理Channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣并且会生成
        //一个SelectionKey
        SelectionKey register = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //serverSocket2.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
    
    
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            // 获取selector中注册的全部事件发生的 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，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
    
    
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    //生成一个SocketChannel 并且将其注册到selector中。
                    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
                    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，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("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();
            }
        }
    }
}

在这里插入图片描述

为了解决普通Nio的弊端这里引入了多路复用器（Selector）
添加了多路复用器之后，每一次只会去响应事件发生的socketChannel。注意：因为我们只注册了一个accept Selector，所以每一次select 我们只能响应一个accept selector。
如何去检测注册的socketChannel是否响应事件？
jdk1.4之前使用的是linux函数 select 和poll 是去遍历所有的sockchannel 看是否在响应事件。
1.4之后，使用epoll模型。
几个关键函数源码分析

Selector.open() //创建多路复用器
追踪源码到
- int epfd = epoll_create(256)
  会调用linux的epoll_create()函数，会返回一个文件描述符。可以通过epfd找到对应的epoll文件。
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)
追踪源码到
- pollWrapper.add(fd)
  fd 就是注册socketChannel对应的文件放到pollWrapper里面一个集合，就是和seletor暂时关联
selector.select() //阻塞等待需要处理的事件发生
追踪源码到
- pollWrapper.poll(timeout);
- updateRegistrations();
  - epollCtl()
    会调用linux的epoll_ctl():
```
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
```
  使用文件描述符epfd引用的epoll实例，对目标文件描述符fd执行op操作。
  参数epfd表示epoll对应的文件描述符，参数fd表示socket对应的文件描述符。
  参数op有以下几个值：
  EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中，并关联事件event；
  EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
  EPOLL_CTL_DEL：从epfd中移除fd，并且忽略掉绑定的event，这时event可以为null；
  参数event是一个结构体

    struct epoll_event {
    
    
	    __uint32_t   events;      /* Epoll events */
	    epoll_data_t data;        /* User data variable */
	};
	
	typedef union epoll_data {
    
    
	    void        *ptr;
	    int          fd;
	    __uint32_t   u32;
	    __uint64_t   u64;
	} epoll_data_t;

events有很多可选值，这里只举例最常见的几个：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符是可读的；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符是可写的；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生了错误；
成功则返回0，失败返回-1

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

等待文件描述符epfd上的事件。在epoll上有一个rdlist里面有没有事件响应，如果有会将其放到selector的keys里面，如果没有回阻塞。
epfd是Epoll对应的文件描述符，events表示调用者所有可用事件的集合，maxevents表示最多等到多少个事件就返回，timeout是超时时间。

I/O多路复用底层主要用的Linux 内核函数（select，poll，epoll）来实现，windows不支持epoll实现，windows底层是基于winsock2的select函数实现的(不开源)

深入理解NIO与Epoll

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IO模型

BIO （Blocking IO）

NIO(Non Blocking IO)

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