[Netty学习笔记]一、I/O模型

I/O模型

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。

Java共支持是三种网络编程模型：BIO/NIO/AIO

BIO模型

Java BIO：同步阻塞(传统阻塞型),服务器实现模式是一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程来进行处理。如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销

在这里插入图片描述

其中BIO常用的编程对象即ServerSocket和Socket，分别对应服务端和客户端。

需要了解的是ServerSocket#accept方法是阻塞的，没有客户端连接进来会一直阻塞在那里。

InputStream#read也是一个阻塞方法，如果没有内容可读的话，会阻塞在那里

以一个例子，来理解客户端有连接请求时，服务端会创建一个与之对应的线程，并且这个连接不做任何事情也不会被断开，会造成不必要的线程开销

/**
 * Created by myk
 * 2020/1/6 下午2:19
 * 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。
 */
public class Server {

    private static int PORT = 6666;

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

        ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);


        while (true) {
            Socket socket = serverSocket.accept();

            cachedThreadPool.submit(() -> {
                handler(socket);
            });

        }
    }

    private static void handler(Socket socket) {
        InputStream inputStream = null;
        try {
            inputStream = socket.getInputStream();
            byte[] bytes = new byte[1024];
            while (true) {
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read == -1) {
                    return;
                }
                System.out.println("线程信息:" + Thread.currentThread().getId() + "，名字:" + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println(new String(bytes, 0, read));
            }
        } catch (IOException e) {
            try {
                inputStream.close();
            } catch (IOException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
        }

    }


}

这里使用一个线程池，当有客户端连接到服务端时即使用一个线程来处理

客户端使用telnet来模拟

telnet 127.0.0.1 6666

联通之后进入telnet命令行，敲击enter进入编辑模式，随后输入字符串使用回车发送消息，即实现向指定端口发送消息。

在这里插入图片描述

这里每一个telnet终端即相当于一个客户端，👇下面是模拟两个客户端连接，因此开启了两个线程。但是客户端连接上即便什么都不做，也是占用了一个连接，浪费了资源，造成了不必须的线程开销

在这里插入图片描述

BIO适用场景：

适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务端机器资源要求比较高，因为每一个连接即一个线程。(可用线程池优化)

BIO编程流程:

服务端启动一个ServerSocket
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一个用户建立一个线程与之通讯
客户端发出请求后，先咨询服务端是否有线程响应，如果没有则等待或这次请求被拒绝(如果是线程池模式下，建立的线程已经很多了)
如果有响应，则客户端等待服务端响应之后，可以接着再次请求

BIO存在的问题：

每个请求都需要服务端创建与之对应的独立的线程进行读写操作
如果并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源耗费比较大
连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程会阻塞在read方法那里，造成线程资源浪费

NIO模型

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个连接请求，即客户端发送的链接请求都会被注册到多路复用器上，多路复用器轮询到链接上有IO请求就进行处理。

在这里插入图片描述

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

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

Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某个通道发送请求或者读取数据，但是它仅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，所以直到数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。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。

综合以上，结合上图可以得知NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有1000个请求过来，根据实际情况可以分配5-10个线程来处理，而不像BIO那样非得分配1000个。

NIO和BIO的比较

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
BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的
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。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件(比如：连接请求、数据读写等)，因此使用单个线程就可以监听到多个客户端通道。

Java AIO

JDK7 引入了Asynchronous I/O，即AIO。在进行I/O编程中，常用有两种模式：Reactor和Proactor。Java的NIO就是Reactor,当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理
AIO 叫做异步不阻塞的IO,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。

BIO/AIO/NIO对比: