架构师知识储备——深入理解BIO、NIO、AIO

在 Java 中，线程的实现是比较重量级的，所以线程的启动或者销毁是很消耗服务器的资源的，即使使用线程池来实现，使用上述传统的 Socket 方式，当连接数极具上升也会带来性能瓶颈，原因是线程的上线文切换开销会在高并发的时候体现的很明显，并且以上操作方式还是同步阻塞式的编程，性能问题在高并发的时候就会体现的尤为明显。

以上的流程，如下图：

4.2 NIO 多路复用

介于以上高并发的问题，NIO 的多路复用功能就显得意义非凡了。

NIO 是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的 Channel，来决定做什么，仅仅 select 阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。

// NIO 多路复用 
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(4, 4, 
 60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); 
threadPool.execute(new Runnable() { 
 @Override 
 public void run() { 
 try (Selector selector = Selector.open(); 
 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) { 
 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port)); 
 serverSocketChannel.configureBlocking(false); 
 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
 while (true) { 
 selector.select(); // 阻塞等待就绪的Channel 
 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); 
 Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); 
 while (iterator.hasNext()) { 
 SelectionKey key = iterator.next(); 
 try (SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()) { 
 channel.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界")); 
 } 
 iterator.remove(); 
 } 
 } 
 } catch (IOException e) { 
 e.printStackTrace(); 
 } 
 } 
}); 
// Socket 客户端（接收信息并打印） 
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) { 
 BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream())); 
 bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("NIO 客户端：" + s)); 
} catch (IOException e) { 
 e.printStackTrace(); 
} 

• 首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色;
• 然后，创建一个 ServerSocketChannel，并且向 Selector 注册，通过指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求;
• 为什么我们要明确配置非阻塞模式呢?这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出 IllegalBlockingModeException 异常;
• Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒;

下面的图，可以有效的说明 NIO 复用的流程：

就这样 NIO 的多路复用就大大提升了服务器端响应高并发的能力。

4.3 AIO 版 Socket 实现

Java 1.7 提供了 AIO 实现的 Socket 是这样的，如下代码：

// AIO线程复用版 
Thread sThread = new Thread(new Runnable() { 
 @Override 
 public void run() { 
 AsynchronousChannelGroup group = null; 
 try { 
 group = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(Executors.newFixedThreadPool(4)); 
 AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port)); 
 server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel>() { 
 @Override 
 public void completed(AsynchronousSocketChannel result, AsynchronousServerSocketChannel attachment) { 
 server.accept(null, this); // 接收下一个请求 
 try { 
 Future<Integer> f = result.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界")); 
 f.get(); 
 System.out.println("服务端发送时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())); 
 result.close(); 
 } catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) { 
 e.printStackTrace(); 
 } 
 } 
 @Override 
 public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) { 
 } 
 }); 
 group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS); 
 } catch (IOException | InterruptedException e) { 
 e.printStackTrace(); 
 } 
 } 
}); 
sThread.start(); 
// Socket 客户端 
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(); 
Future<Void> future = client.connect(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port)); 
future.get(); 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100); 
client.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() { 
 @Override 
 public void completed(Integer result, Void attachment) { 
 System.out.println("客户端打印：" + new String(buffer.array())); 
 } 
 @Override 
 public void failed(Throwable exc, Void attachment) { 
 exc.printStackTrace(); 
 try { 
 client.close(); 
 } catch (IOException e) { 
 e.printStackTrace(); 
 } 
 } 
}); 
Thread.sleep(10 * 1000); 

五、总结

（编辑：宣城站长网）

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