本篇主要從學(xué)習(xí)角度整理java的幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，包括：

1. BIO通信模型
2. 偽異步通信模型
3. NIO通信模型
4. NIO2.0（AIO）

BIO通信模型

BIO同步阻塞I/O通信模型

BIO通信模型最大的特點(diǎn)是，當(dāng)服務(wù)端程序收到一條網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求時(shí)，需要單獨(dú)為其分配一個(gè)處理線程，服務(wù)端處理完成之后，將輸出流返回給客戶端，此時(shí)才銷毀線程。

例如上圖中的案例，acceptor在編程時(shí)一般就是ServerSocket，通過一個(gè)無限循環(huán)的accept操作獲取客戶端請(qǐng)求，然后分配一個(gè)線程為其進(jìn)行處理，類似的代碼如下：

//BIO 服務(wù)端示例代碼
//其中SomeHandler為具體的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理器
ServerSocket server = new ServerSocket(port);
while(true){
  Socket socket = server.accept();
  new Thread(SomeHandler(socket)).start();
}

該模型最大的問題是缺乏彈性伸縮能力，客戶端和服務(wù)端線程個(gè)數(shù)的比例為1：1，由于線程是Java虛擬機(jī)非常寶貴的系統(tǒng)資源，當(dāng)線程數(shù)膨脹，系統(tǒng)性能也將急劇下降，隨著并發(fā)訪問量增大，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生線程堆棧溢出，創(chuàng)建線程失敗等問題。

偽異步I/O通信模型

偽異步I/O通信模型

為了改進(jìn)BIO的一個(gè)線程一個(gè)連接的模型，引入線程池或者消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)1個(gè)或者多個(gè)線程處理N個(gè)客戶端的模型，但由于底層仍然使用同步阻塞I/O，因此被稱為“偽異步”。

服務(wù)端的示例代碼如下：

//偽異步網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)端示例代碼
//其中SomeHandler為具體的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理器
ServerSocket server = new ServerSocket(port);
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
while(true){
  Socket socket = server.accept();
  executor.submit(SomeHandler(socket));
}

最大的不同可以看出是在處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的地方，偽異步使用了線程池。這樣可以避免線程的不斷銷毀和重新創(chuàng)建，但是本質(zhì)上，一條連接任然獨(dú)占一個(gè)線程，意思是如果一條連接不斷開，這個(gè)線程將被一直阻塞，不管期間有沒有數(shù)據(jù)傳輸。

NIO編程模型

NIO可以稱為非阻塞I/O（Non-block I/O）。它提供了高速的、面向塊的I/O。補(bǔ)充一下NIO的一些概念，以便作說明。

緩沖區(qū)Buffer

BIO編程中，數(shù)據(jù)的輸入輸出靠的是流。NIO通過Buffer來緩存操作期間的數(shù)據(jù)，相比之下，緩沖區(qū)提供了對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化訪問。最常用的緩沖區(qū)是ByteBuffer，它提供了一組功能來操作byte數(shù)組。（事實(shí)上，每一種Java基本類型，除了Boolean，都有對(duì)應(yīng)的一種緩沖區(qū)，例如CharBuffer、ShortBuffer等）。

通道Channel

理解通道就可以認(rèn)為它像一條水管，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可以在Channel上任意的寫入和讀取，它是雙向的（區(qū)別于流的單向）。

多路復(fù)用器

NIO編程的基礎(chǔ)就是多路復(fù)用器Selector，它提供選擇已經(jīng)就緒的任務(wù)的能力。通常在selector上會(huì)注冊很多channel（來自于客戶端的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求），selector通不過不斷輪詢，偵測哪一個(gè)channel上有數(shù)據(jù)的讀寫信號(hào)，就通過SelectionKey讓該channel激活進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。

示例

服務(wù)端時(shí)序圖

NIO服務(wù)端時(shí)序圖

上圖描述了NIO編程過程中的通信時(shí)序圖，異步的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求代碼更不易編寫，下面看看服務(wù)端的簡單示例代碼：

private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverChannel;
public void init(){
  selector = Selector.open();
  serverChannel =  ServerSocketChannel.open();
  serverChannel.configurateBlocking(false);
  serverChannel.socket.bind(port);
  serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
}

public void run(){
  while(true){
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
    SelectionKey key = null;
    while(it.hasNext()){
      key = it.next();
      it.remove();
      handleInput(key); //  網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理器
    }
  }
}

簡單的看這段代碼，在初始化時(shí)需要執(zhí)行的操作包括：

1. open一個(gè)selector和ServerSocketChannel
2. 設(shè)置非阻塞模式
3. 綁定端口號(hào)
4. 將channel注冊到selector上，接受accept事件

接著主循環(huán)要做的事情包括：

1. 輪詢select
2. 從selector中獲取觸發(fā)了信號(hào)的SelectionKey
3. 將SelectionKey交給網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理器進(jìn)行處理（處理器要完成的事情包括接受連接、接收數(shù)據(jù)，解碼數(shù)據(jù)，寫回?cái)?shù)據(jù)等）

客戶端時(shí)序圖

NIO客戶端時(shí)序圖

客戶端的代碼編寫邏輯也很類似，基本的原理就是創(chuàng)建一個(gè)channel，將其注冊到selector上，等待輪詢信號(hào)。示例代碼如下：

private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
public void init(){
  selector = Selector.open();
  socketChannel =  SocketChannel.open();
  socketChannel.configurateBlocking(false);
}

public void run(){
  doConnect();//執(zhí)行連接服務(wù)器的操作
  while(true){
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
    SelectionKey key = null;
    while(it.hasNext()){
      key = it.next();
      it.remove();
      handleInput(key); //  網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理器
    }
  }
}

public void doConnect(){
  if(socketChannel.connect(port)){
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  }else{
    socketChannel.register(selector,  SelectionKey.OP_CONNECT); 
  }
}

可以對(duì)比與服務(wù)端的代碼，不同的地方包括：服務(wù)端會(huì)注冊O(shè)P_ACCEPT事件，用于接受客戶端的連接，客戶端會(huì)注冊O(shè)P_CONNECT事件，用于連接服務(wù)端；此外，他們使用的channel也不一樣，服務(wù)端使用的是ServerSocketChannel，客戶端使用的是SocketChannel。

除了這兩個(gè)特殊事件，他們還都能夠注冊O(shè)P_READ和OP_WRITE事件，用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀和寫。

我在這里更偏向于網(wǎng)絡(luò)模型的對(duì)比，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)際讀寫代碼不在這里編寫，需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀寫需要程序員自己操作buffer對(duì)象，同時(shí)還要面對(duì)“半包讀寫問題”

優(yōu)勢

使用NIO編程的優(yōu)勢主要有：

1. 客戶端發(fā)起的連接是異步的，可以通過在多路復(fù)用器注冊O(shè)P_CONNECT等待后續(xù)結(jié)果，不需要像之前的客戶端那樣被同步阻塞。
2. SocketChannel的讀寫操作都是異步的，沒有可讀寫的數(shù)據(jù)時(shí)，它不會(huì)同步等待，I/O通信線程就可以處理其他的連接。
3. 線程模型得到優(yōu)化，一個(gè)seletor線程可以同時(shí)處理成千上萬條連接。

AIO編程

在JDK1.7以后升級(jí)了NIO類庫，被稱為NIO2.0。它提供了與UNIX網(wǎng)絡(luò)編程事件驅(qū)動(dòng)I/O相對(duì)應(yīng)的AIO。AIO不需要通過多路復(fù)用器（selector）對(duì)注冊的通道進(jìn)行輪詢操作即可實(shí)現(xiàn)異步讀寫，簡化了NIO的編程模型。事實(shí)上，它傳遞的是一個(gè)信號(hào)變量。

AIO編程的示例代碼我這里就不再列舉，接下來主要看一下，四種方式的對(duì)比。

模型對(duì)比

雖然我們本系列主要是學(xué)習(xí)NIO框架Netty，但是并非意味著所有的Java網(wǎng)絡(luò)編程都得用NIO和Netty。通過對(duì)比我們可以看出，BIO、偽異步I/O也有自己的優(yōu)勢：簡單，因此根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，如果客戶端并發(fā)數(shù)不多，服務(wù)器負(fù)載也低，那就完全可以考慮直接使用較為低級(jí)的網(wǎng)絡(luò)編程模型。

下一篇開始，我們真正開始學(xué)習(xí)netty。