Java | IO 模式之 JavaBIO 应用

IO模型

Java BIO

同步并阻塞，是传统阻塞型，服务事项模式为一个客户端连接一个线程，也就是客户端有连接请求时，服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。

Java NIO

同步非阻塞，服务实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器（也可以说是Selector选择器）上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，如果没有请求是可以做其他事情的。

Java AIO（NIO.2）

异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的IO请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

BIO、NIO、AIO的使用场景

BIO 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，并发局限于应用中。JDK4以前的唯一选择，但是代码比较好理解

NIO 适用于链接数目较多且连接时长比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器、弹幕系统、服务器间通信等。编程比较复杂，JDK4开始出现

AIO 方式适用于连接山姆较多且连接时长较长（重操作）的架构，比如相册服务器、充分调用OS参与并发操作。编程比较复杂，JDK7开始出现。

BIO

1 BIO 基本介绍

Java BIO 就是传统的 java io 编程，其相关的类和接口在 java.io

BIO 可以通过线程池进行改善

2 BIO 的工作机制

对 BIO 编程流程的梳理

1. 服务器端启动一个 ServerSocket，注册端口，调用accpet方法监听客户端的Socket连接。
2. 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个客户 建立一个线程与之通讯

3 BIO 传统通信实现

3.1 业务需求

客户端向服务器端发送一串文字

3.2 实现思路

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个客户 建立一个线程与之通讯

服务器端启动一个 ServerSocket，注册端口，调用accpet方法监听客户端的Socket连接。

3.3 代码实现

客户端：

1. 创建socket对象请求服务器连接
2. 从socket对象中获取一个字节输出流
3. 把字节流改装成自己需要的流进行数据的发送
4. 开始发送消息

public class ClientBIO {public static void main(String[] args) throws IOException {//1、创建socket对象请求服务器连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);//2、从socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3、把字节流改装成自己需要的流进行数据的发送PrintStream ps = new PrintStream(os);//4、 开始发送消息ps.println("hello!");// 刷新流中可能存在或可能不存在的任何元素的流ps.flush();}
}

服务器端：

1. 定义一个ServiceSocket对象进行服务端的端口注册
2. 监听客户端的Socket连接请求，得到一个端到端的Socket管道
3. 从Socket管道中得到一个字节输入流。
4. 把字节输入流包装成一个缓冲字符输入流
5. 读取缓冲流中的数据，如果缓冲流中还有数据，继续读取数据；如果缓冲流中没有数据

public class ServerBIO {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("====服务器端启动了====");// 1 定义一个ServiceSocket对象进行服务端的端口注册ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);// 2 监听客户端的Socket连接请求Socket socket = ss.accept();// 3 从Socket管道中得到一个自己输入流对象InputStream is = socket.getInputStream();// 4 把字节输入流包装成一个缓冲字符输入流，将字节输入流转为字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;while ((msg = br.readLine())!=null) {System.out.println("服务器端接收到的："+ msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

这里代码有两个问题

第一个问题发生在客户端中。 这条代码 ps.print("hello!"); 传入到服务器中，就会出现 Connection reset 发生异常阻塞。原因如下：由于在服务器中，以行作为结束标记。因此 hello 在传入后并没有换行，于是 while 语句继续等待。此时客户端中，hello 语句发完后，客户端线程已经关闭，此时服务器端在监听是发现与客户端的socket连接断开，于是就发生了 Connection reset

第二个发生在服务器段中。当纠正了 ps.print("hello!"); 为 ps.println("hello!"); 后，传入到服务器中，由于客户端发送完毕后就断开了socket连接，而服务器端则在while中等待是否有下一条语句到来，此时监听到socket连接已经断开，就报异常。解决的方法是，将 while ((msg = br.readLine())!=null) 修改为 if ((msg = br.readLine())!=null)，也就是说，客户端如果只发送一次数据，那么服务器端也只接受一次。

4 BIO 模式下的多发和多收消息

4.1 业务需求

实现客户端可以反复发送消息和服务器端可以持续接收消息

4.2 实现思路

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个客户 建立一个线程与之通讯。将输入数据和发送数据放在一个循环嵌套之中。

服务器端启动一个 ServerSocket，注册端口，调用accpet方法监听客户端的Socket连接。使用while持续监听，如果有数据进行数据，没有数据保持等待

4.3 代码实现

客户端：

1. 创建socket对象请求服务器连接
2. 从socket对象中获取一个字节输出流
3. 把字节流改装成自己需要的流进行数据的发送
4. 输入数据和发送数据放在一个循环嵌套之中

public class ClientBIO {public static void main(String[] args) throws IOException {//1、创建socket对象请求服务器连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);//2、从socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3、输出流包装成一个打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while(true) {System.out.print("请说：");String msg = sc.nextLine();ps.println(msg);ps.flush();}}
}

服务器端：

1. 定义一个ServiceSocket对象进行服务端的端口注册
2. 监听客户端的Socket连接请求，得到一个端到端的Socket管道
3. 从Socket管道中得到一个字节输入流。
4. 把字节输入流包装成一个缓冲字符输入流
5. 使用while持续监听，readLine()是一个阻塞函数,当没有数据读取时,就一直会阻塞在那，如果有数据进行数据，没有数据保持等待

public class ServerBIO {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("====服务器端启动了====");// 1 定义一个ServiceSocket对象进行服务端的端口注册ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);// 2 监听客户端的Socket连接请求Socket socket = ss.accept();// 3 从Socket管道中得到一个自己输入流对象InputStream is = socket.getInputStream();// 4 把字节输入流包装成一个缓冲字符输入流，将字节输入流转为字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;while ((msg = br.readLine())!=null) {System.out.println("服务器端接收到的："+ msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

5 BIO 模式下接收多个客户端

5.1 业务需求

服务端需要处理很多个客户端的消息通信请求，同时要求每个请求都需要一个对应的线程去实现请求

5.2 实现思路

客户端不需要变，但是在idea编译器中需要打开“allow multiple instances”

服务器端在循环中，启动对应的线程，线程里是解决方法

5.3 代码实现

客户端

public class ClientBIO {public static void main(String[] args) throws IOException {//1、创建socket对象请求服务器连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);//2、从socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3、输出流包装成一个打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while(true) {System.out.print("请说：");String msg = sc.nextLine();ps.println(msg);ps.flush();}}
}

服务器端

public class ServerBIO {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("====服务器端启动了====");// 1 定义一个ServiceSocket对象进行服务端的端口注册ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);while (true) {Socket socket = ss.accept();new ServerThreadReader(socket).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

对应线程

public class ServerThreadReader extends Thread{private Socket socket;public ServerThreadReader(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {//3 从Socket管道中得到一个自己输入流对象try {InputStream is = socket.getInputStream();// 4 把字节输入流包装成一个缓冲字符输入流，将字节输入流转为字符输入流BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));String msg;while ((msg = br.readLine())!=null) {System.out.println("服务器端接收到的："+ msg);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

小结，其实就是把在服务器中的处理方法放到了线程中去处理

6 BIO伪异步IO编程

​ 在接受多个客户端时，存在这样一个问题：随着客户端的并发访问增加时。服务端将呈现1:1的线程开销，访问量越大，系统将发生线程栈溢出，线程创建失败，最终导致进程宕机或者僵死，从而不能对外提供服务。

​ 解决方案是，搭建伪异步I/O的通信框架。采用线程池和任务队列实现，当客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个Task(该任务实现 java.lang.Runnable 线程任务接口)交给后端的线程池中进行处理。JDK的线程池维护一个消息队列和N个活跃的线程，对消息队列中Socket任务进行处理，由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此，它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。

6.1 业务需求

使用有限个线程去处理多个客户端的请求。

6.2 实现思路

客户端不变

增加一个线程池处理类

服务器端调用线程池处理类

写一个处理的线程

6.3 代码实现

客户端：

public class ClientBIO {public static void main(String[] args) throws IOException {//1、创建socket对象请求服务器连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);//2、从socket对象中获取一个字节输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//3、输出流包装成一个打印流PrintStream ps = new PrintStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while(true) {System.out.print("请说：");String msg = sc.nextLine();ps.println(msg);ps.flush();}}
}

线程池处理类：

// 线程池处理类
public class HandlerSocketThreadPool {// 线程池 private ExecutorService executor;public HandlerSocketThreadPool(int maxPoolSize, int queueSize){this.executor = new ThreadPoolExecutor(3, // 8maxPoolSize,  120L, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize) );}public void execute(Runnable task){this.executor.execute(task);}
}

服务器端：

public class Server {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("----------服务端启动成功------------");ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);// 一个服务端只需要对应一个线程池HandlerSocketThreadPool handlerSocketThreadPool =new HandlerSocketThreadPool(3, 1000);// 客户端可能有很多个while(true){Socket socket = ss.accept() ; // 阻塞式的！System.out.println("有人上线了！！");// 每次收到一个客户端的socket请求，都需要为这个客户端分配一个// 独立的线程 专门负责对这个客户端的通信！！handlerSocketThreadPool.execute(new ReaderClientRunnable(socket));}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

线程处理类：

class ReaderClientRunnable implements Runnable{private Socket socket ;public ReaderClientRunnable(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {// 读取一行数据InputStream is = socket.getInputStream() ;// 转成一个缓冲字符流Reader fr = new InputStreamReader(is);BufferedReader br = new BufferedReader(fr);// 一行一行的读取数据String line = null ;while((line = br.readLine())!=null){ // 阻塞式的！！System.out.println("服务端收到了数据："+line);}} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了");}}
}

• 伪异步io采用了线程池实现，因此避免了为每个请求创建一个独立线程造成线程资源耗尽的问题，但由于底层依然是采用的同步阻塞模型，因此无法从根本上解决问题。
• 如果单个消息处理的缓慢，或者服务器线程池中的全部线程都被阻塞，那么后续socket的i/o消息都将在队列中排队。新的Socket请求将被拒绝，客户端会发生大量连接超时。

7 基于BIO形式下的文件上传

7.1 业务需求

支持任意类型文件形式的上传。

7.2 实现思路

客户端在原来的基础上，需要选择上传文件，然后添加缓冲池，因为考虑到文件可能过大

服务器端则需要选择保存的位置，然后从缓冲池中获取数据

7.3 代码实现

客户端：

public class Client {public static void main(String[] args) {try(InputStream is = new FileInputStream("‪E:\\note\\01-java\\img\\JavaBIO工作机制.png");){//  1、请求与服务端的Socket链接Socket socket = new Socket("127.0.0.1" , 8888);//  2、把字节输出流包装成一个数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());//  3、先发送上传文件的后缀给服务端dos.writeUTF(".png");//  4、把文件数据发送给服务端进行接收byte[] buffer = new byte[1024];int len;while((len = is.read(buffer)) > 0 ){dos.write(buffer , 0 , len);}dos.flush();Thread.sleep(10000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

服务器端：

public class Server {public static void main(String[] args) {try{ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);while (true){Socket socket = ss.accept();// 交给一个独立的线程来处理与这个客户端的文件通信需求。new ServerReaderThread(socket).start();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

线程处理类：

public class ServerReaderThread extends Thread {private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try{// 1、得到一个数据输入流读取客户端发送过来的数据DataInputStream dis = new DataInputStream(socket.getInputStream());// 2、读取客户端发送过来的文件类型String suffix = dis.readUTF();System.out.println("服务端已经成功接收到了文件类型：" + suffix);// 3、定义一个字节输出管道负责把客户端发来的文件数据写出去OutputStream os = new FileOutputStream("‪E:\\note\\01-java\\server\\img\\"+UUID.randomUUID().toString()+suffix);// 4、从数据输入流中读取文件数据，写出到字节输出流中去byte[] buffer = new byte[1024];int len;while((len = dis.read(buffer)) > 0){os.write(buffer,0, len);}os.close();System.out.println("服务端接收文件保存成功！");}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}
}

客户端怎么发，服务端就怎么接收

学习渠道

黑马程序员NIO+BIO全套教程，Java教程之IO模式精讲