3種網(wǎng)絡(luò)編程 I/O 模型：BIO、NIO、AIO

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• BIO：同步并阻塞（傳統(tǒng)阻塞型），一個(gè)連接一個(gè)線程，連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)場(chǎng)景
• NIO：同步非阻塞，一個(gè)線程處理多個(gè)連接，連接數(shù)目多且連接比較短的架構(gòu)場(chǎng)景
• AIO：異步非阻塞，Proactor 模式，有效請(qǐng)求才啟動(dòng)線程，連接數(shù)較多且連接時(shí)間較長(zhǎng)場(chǎng)景

• 基本介紹：傳統(tǒng)的 Java IO 編程
• BIO：同步阻塞
• 簡(jiǎn)單流程
  • 服務(wù)器啟動(dòng)一個(gè) ServerSocket
  • 客戶端啟動(dòng)一個(gè) Socket 進(jìn)行通信，默認(rèn)每個(gè)客戶端建立一個(gè)線程進(jìn)行通訊
  • 客戶端發(fā)起請(qǐng)求后先咨詢服務(wù)器是否有線程響應(yīng)，沒有就等待或者被拒絕
    • 有響應(yīng)，客戶端線程會(huì)等待請(qǐng)求結(jié)束后，再繼續(xù)執(zhí)行

• 三大核心部分：Channel、Buffer、Selector
  • 每個(gè) Channel 會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè) Buffer
  • Selector 對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，一個(gè)線程對(duì)應(yīng)多個(gè) Channel（連接）
  • Selector 切換到哪個(gè) Channel 由事件決定，Event 就是一個(gè)重要概念
  • Selector 會(huì)根據(jù)不同的事件，在各個(gè)通道上切換
  • Buffer 就是一個(gè)內(nèi)存塊，底層有一個(gè)數(shù)組
  • 數(shù)據(jù)的讀取寫入是通過 Buffer（BIO 要么是輸入或者輸出流，不能雙向，但是NIO的 Buffer 可以讀也可以寫，需要 flip 切換）
  • Channel 是雙向的，可以返回底層操作系統(tǒng)的情況，比如 Linux，底層的操作系統(tǒng)通道就是雙向的
• NIO 面向緩沖區(qū)或者面向塊
• 基本介紹
  • 使用線程從某通道發(fā)送請(qǐng)求或者讀取數(shù)據(jù)，僅能獲取目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用，就什么都不會(huì)獲取，而不是保持線程阻塞
  • 通俗理解：用一個(gè)線程處理多個(gè)操作
  • HTTP2.0 使用了多路復(fù)用的技術(shù)，做到同一個(gè)連接并發(fā)處理多個(gè)請(qǐng)求，比HTTP1.1大了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)
• NIO 和 BIO
  • BIO 以流處理數(shù)據(jù)，NIO 以塊處理數(shù)據(jù)，塊 I/O 效率比流 I/O 高很多
  • BIO 阻塞，NIO 非阻塞
  • BIO 基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作，NIO 基于 Channel 和 Buffer 進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)，或者從緩沖區(qū)寫入通道中
    • Selector 用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件（連接請(qǐng)求，數(shù)據(jù)到達(dá)），所以單個(gè)線程能監(jiān)聽多個(gè)客戶端通道
• 緩沖區(qū)（Buffer）
  • 本質(zhì)上就是一個(gè)可以讀寫的內(nèi)存塊，理解成一個(gè)容器對(duì)象（含數(shù)組）
  • 緩沖區(qū)對(duì)象內(nèi)置流一些機(jī)制，能夠跟蹤和記錄緩沖區(qū)的狀態(tài)變化情況
  • 屬性
    • Capacicty：容量，緩沖區(qū)創(chuàng)建的時(shí)候被設(shè)定并且不能改變
    • Limit：當(dāng)前終點(diǎn)，不能對(duì)緩沖區(qū)超過極限的位置進(jìn)行讀寫操作，且極限是可以修改的
    • Position：位置，下一個(gè)要被讀或?qū)懙脑氐乃饕?，每次讀寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)改變的值，為下次做準(zhǔn)備
    • Mark：標(biāo)記
• 通道（Channel）
  • NIO 通道類似于流
    • 可以同時(shí)讀寫，流只能讀或者寫
    • 可以實(shí)現(xiàn)異步讀寫數(shù)據(jù)
    • 可以從緩沖讀數(shù)據(jù)，可以寫數(shù)據(jù)到緩沖
  • BIO 中的 stream 是單向的，NIO 中的 Channel 是雙向的可讀寫
  • Channel 在 NIO 中時(shí)一個(gè)接口，常用 FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel、SocketChannel
    • FileChannel：用于文件的讀寫
    • DatagramChannel：用于 UDP 的數(shù)據(jù)讀寫
    • ServerSocketChannel、SocketChannel 用于 TCP 的數(shù)據(jù)讀寫
• 選擇器（Selector）
  • 基本介紹
    • Selector 能夠檢測(cè)多個(gè)注冊(cè)的通道上是否有事件發(fā)生，有就獲取事件然后針對(duì)每個(gè)事件進(jìn)行相應(yīng)的處理
    • 只有在連接真正有讀寫事件發(fā)生時(shí)，才會(huì)進(jìn)行讀寫，減少開銷
    • 避免多線程之間的上下文切換導(dǎo)致的開銷
  • Selector、SelectionKey、ServerSocketChannel、SocketChannel 關(guān)系
    • 客戶端連接時(shí)，會(huì)通過 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
    • Selector 開始監(jiān)聽
    • 將 SocketChannel 注冊(cè)到 Selector 上，一個(gè) Selector 可以注冊(cè)多個(gè) SocketChannel
    • 注冊(cè)后返回一個(gè) SelectionKey 會(huì)和該 Selector 關(guān)聯(lián)（集合）
    • Selector 進(jìn)行監(jiān)聽 select 方法，返回有事件發(fā)生的通道個(gè)數(shù)
    • 進(jìn)一步得到各個(gè) SelectionKey（有事件發(fā)生）
    • 再通過 SelectionKey 反向獲取 SocketChannel
    • 可以通過 channel() 方法得到 channel，完成業(yè)務(wù)處理
  • SelectionKey
    • 表示 Selector 和網(wǎng)絡(luò)通道的注冊(cè)關(guān)系
      • OP_ACCEPT：有新的網(wǎng)絡(luò)連接可以 accept，值為 16
      • OP_CONNECT：代表連接已經(jīng)建立，值為 8
      • OP_WRITE：代表寫操作，值為 4
      • OP_READ：代表讀操作，值為 1
  • ServerSocketChannel
    • 在服務(wù)器端監(jiān)聽新的客戶端 Socket 連接
    • 相關(guān)方法
      • open：得到一個(gè) ServerSocketChannel 通道
      • bind：設(shè)置服務(wù)器端口號(hào)
      • configureBlocking：設(shè)置阻塞或非阻塞模式
      • accept：接受一個(gè)連接
      • register：注冊(cè)一個(gè)選擇器并設(shè)置監(jiān)聽事件
  • SocketChannel
    • 網(wǎng)絡(luò) IO 通道，具體負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫操作，NIO 把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入通道，或者把通道數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)
    • 相關(guān)方法
      • open
      • configureBlocking
      • connect
      • finnishConnect
      • write
      • read
      • register
      • close
• 存在問題
  • NIO 類庫和 API 繁雜，需要熟練掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等
  • 需要具備 Java 多線程編程，NIO 編程涉及 Reactor 模式，必須對(duì)多線程和網(wǎng)絡(luò)編程非常熟悉才能寫出高質(zhì)量的 NIO 程序
  • 開發(fā)工作量和難度都非常大，例如：臨斷連重連、網(wǎng)絡(luò)閃斷、半包讀寫、失敗緩存、網(wǎng)絡(luò)擁塞和異常流
  • NIO Bug：Epoll Bug，導(dǎo)致 Selector 空輪詢，CPU 100%

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