传统IO与NIO比较

原创
2019/09/08 14:51
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我们先来看一段传统IO的代码

public class OioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //这里可以直接写成ServerSocket server = new ServerSocket(10101);
        ServerSocket server = new ServerSocket();
        server.bind(new InetSocketAddress(10101));
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            //此处会阻塞
            Socket socket = server.accept();
            System.out.println("来了一个新客户端");
            handler(socket);
        }
    }
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while (true) {
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    System.out.println(new String(bytes,0,read));
                }else {
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                System.out.println("socket关闭");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

使用telnet连接

admindeMacBook-Pro:~ admin$ telnet 127.0.0.1 10101
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.

我们会看到OioServer的运行情况

服务器启动
来了一个新客户端

但是当我们又使用一个telnet连接进来的时候,OioServer的运行情况没变,说明一个服务端只能接收一个客户端点连接,原因在于Socket socket = server.accept();发生了堵塞,现在我们将其改写成多线程

public class OioServerThread {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(10101);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors() * 2);
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            Socket socket = server.accept();
            System.out.println("来了一个新客户端");
            service.execute(() -> handler(socket));
        }
    }
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while (true) {
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    System.out.println(new String(bytes,0,read));
                }else {
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                System.out.println("socket关闭");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行可知,当我们启动了多个telnet进行连接的时候,它是可以一起连接进来的

服务器启动
来了一个新客户端
来了一个新客户端

但是这里有一个问题,我们线程池的可用线程是有限的,不可能无限提供线程来接收大量客户端的连接,迟早它会无响应被堵塞的。

我们现在来看一下NIO,NIO其实是使用传统IO的特性创建一个channel(通道),通过该通道来注册事件SelectionKey

SelectionKey有四种事件

  • SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件,表示服务器监听到了客户连接,服务器可以接收这个连接了
  • SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件,表示客户与服务器的连接已经建立成功
  • SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件,表示通道中已经有了可读的数据,可以执行读操作了(通道目前有数据,可以进行读操作了)
  • SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪件,表示已经可以向通道写数据了(通道目前可以用于写操作)

 这里 注意,下面两种,SelectionKey.OP_READ ,SelectionKey.OP_WRITE ,

1.当向通道中注册SelectionKey.OP_READ事件后,如果客户端有向缓存中write数据,下次轮询时,则会 isReadable()=true;

2.当向通道中注册SelectionKey.OP_WRITE事件后,这时你会发现当前轮询线程中isWritable()一直为ture,如果不设置为其他事件

public class NIOServer {
   // 通道管理器
   private Selector selector;

   /**
    * 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作
    * 
    * @param port
    *            绑定的端口号
    * @throws IOException
    */
   public void initServer(int port) throws IOException {
      // 获得一个ServerSocket通道
      ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
      // 设置通道为非阻塞
      serverChannel.configureBlocking(false);
      // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
      serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
      // 获得一个通道管理器
      this.selector = Selector.open();
      // 将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后,
      // 当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
      serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   }

   /**
    * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理
    * 
    * @throws IOException
    */
   public void listen() throws IOException {
      System.out.println("服务端启动成功!");
      // 轮询访问selector
      while (true) {
         // 当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞
         selector.select();
         // 获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件
         Iterator<?> ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
         while (ite.hasNext()) {
            SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
            // 删除已选的key,以防重复处理
            ite.remove();
            handler(key);
         }
      }
   }

   /**
    * 处理请求
    * 
    * @param key
    * @throws IOException
    */
   public void handler(SelectionKey key) throws IOException {
      
      // 客户端请求连接事件
      if (key.isAcceptable()) {
         handlerAccept(key);
         // 获得了可读的事件
      } else if (key.isReadable()) {
         handelerRead(key);
      }
   }

   /**
    * 处理连接请求
    * 
    * @param key
    * @throws IOException
    */
   public void handlerAccept(SelectionKey key) throws IOException {
      ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
      // 获得和客户端连接的通道
      SocketChannel channel = server.accept();
      // 设置成非阻塞
      channel.configureBlocking(false);

      // 在这里可以给客户端发送信息哦
      System.out.println("新的客户端连接");
      // 在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。
      channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
   }

   /**
    * 处理读的事件
    * 
    * @param key
    * @throws IOException
    */
   public void handelerRead(SelectionKey key) throws IOException {
      // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
      SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
      // 创建读取的缓冲区
      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      int read = channel.read(buffer);
      if(read > 0){
         byte[] data = buffer.array();
         String msg = new String(data).trim();
         System.out.println("服务端收到信息:" + msg);
         
         //回写数据
         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("好的".getBytes());
         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
      }else{
         System.out.println("客户端关闭");
         key.cancel();
      }
   }

   /**
    * 启动服务端测试
    * 
    * @throws IOException
    */
   public static void main(String[] args) throws IOException {
      NIOServer server = new NIOServer();
      server.initServer(10101);
      server.listen();
   }

}

NIO与传统IO最大的不同

  1. NIO有通道的概念,传统IO没有这个概念,但通道的概念是基于传统IO的
  2. 传统IO的字符接受处理是也是实用的Java原生的序列化流的方式,而NIO是使用ByteBuffer的缓冲区机制。

使用telnet测试,NIO是肯定支持多个客户端同时操作的,但很重要的一点是NIO是单线程的,传统IO和NIO的逻辑如下

传统IO

NIO

至于NIO如何多线程,可以参考NIO如何多线程操作 ,这其实也是Netty的原理。

分别用两个telnet连接

admindeMacBook-Pro:IOServer admin$ telnet 127.0.0.1 10101
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
dsfds
好的

admindeMacBook-Pro:~ admin$ telnet 127.0.0.1 10101
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
22222
好的

服务端显示如下

服务端启动成功!
新的客户端连接
服务端收到信息:dsfds
新的客户端连接
服务端收到信息:22222

当我们退出其中一个的时候

admindeMacBook-Pro:~ admin$ telnet 127.0.0.1 10101
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
22222
好的^]
telnet> quit
Connection closed.

服务端显示如下

服务端启动成功!
新的客户端连接
服务端收到信息:dsfds
新的客户端连接
服务端收到信息:22222
客户端关闭

如果我们使用telnet连接进去以后,直接关闭shell,则服务端会抛出异常

服务端启动成功!
新的客户端连接
服务端收到信息:
Exception in thread "main" java.io.IOException: Connection reset by peer
    at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.read0(Native Method)
    at sun.nio.ch.SocketDispatcher.read(SocketDispatcher.java:39)
    at sun.nio.ch.IOUtil.readIntoNativeBuffer(IOUtil.java:223)
    at sun.nio.ch.IOUtil.read(IOUtil.java:197)
    at sun.nio.ch.SocketChannelImpl.read(SocketChannelImpl.java:380)
    at com.guanjian.websocket.io.NIOServer.handelerRead(NIOServer.java:111)
    at com.guanjian.websocket.io.NIOServer.handler(NIOServer.java:77)
    at com.guanjian.websocket.io.NIOServer.listen(NIOServer.java:59)
    at com.guanjian.websocket.io.NIOServer.main(NIOServer.java:134)

说明在读取Buffer缓冲区的时候,抛出了异常,所以我们应该在读取的时候捕获异常,而不是抛出异常

/**
 * 处理读的事件
 * 
 * @param key
 * @throws IOException
 */
public void handelerRead(SelectionKey key) {
   // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
   SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
   // 创建读取的缓冲区
   ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
   try {
      int read = channel.read(buffer);
      if(read > 0){
               byte[] data = buffer.array();
               String msg = new String(data).trim();
               System.out.println("服务端收到信息:" + msg);

               //回写数据
               ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("好的".getBytes());
               channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
           }else{
               System.out.println("客户端关闭");
               key.cancel();
           }
   } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
   }
}

我们现在来证明NIO是单线程的,将以上代码修改一下

/**
 * 处理读的事件
 * 
 * @param key
 * @throws IOException
 */
public void handelerRead(SelectionKey key) {
   // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
   SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
   // 创建读取的缓冲区
   ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
   try {
      int read = channel.read(buffer);
      Thread.sleep(60000);
      if(read > 0){
               byte[] data = buffer.array();
               String msg = new String(data).trim();
               System.out.println("服务端收到信息:" + msg);

               //回写数据
               ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("好的".getBytes());
               channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
           }else{
               System.out.println("客户端关闭");
               key.cancel();
           }
   } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
   }
}

我们让他发送消息的时候睡一分钟。启动服务端,连接第一个telnet进来,并发几个字符

此时我们连进第二个telnet,会发现服务端没反应,需要等到一分钟之后,第一个telnet才会收到"好的",而服务端才会显示"新的客户端连接"。

说明服务端在处理发送字符的时候被阻塞,NIO为单线程。

 

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