IO流中「线程」模型总结

IO流中「线程」模型总结

作者：知了一笑 2023-04-07 08:54:19网络 通信技术 客户端与服务端进行通信「交互」，可能是同步或者异步，服务端进行「流」处理时，可能是阻塞或者非阻塞模式，当然也有自定义的业务流程需要执行，从处理逻辑看就是「读取数据-业务执行-应答写数据」的形式。

一、基础简介

在IO流的网络模型中，以常见的「客户端-服务端」交互场景为例；

客户端与服务端进行通信「交互」，可能是同步或者异步，服务端进行「流」处理时，可能是阻塞或者非阻塞模式，当然也有自定义的业务流程需要执行，从处理逻辑看就是「读取数据-业务执行-应答写数据」的形式；

Java提供「三种」IO网络编程模型，即：「BIO同步阻塞」、「NIO同步非阻塞」、「AIO异步非阻塞」；

二、同步阻塞

1、模型图解

BIO即同步阻塞，服务端收到客户端的请求时，会启动一个线程处理，「交互」会阻塞直到整个流程结束；

这种模式如果在高并发且流程复杂耗时的场景下，客户端的请求响应会存在严重的性能问题，并且占用过多资源；

2、参考案例

【服务端】启动ServerSocket接收客户端的请求，经过一系列逻辑之后，向客户端发送消息，注意这里线程的10秒休眠；

public class SocketServer01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket服务端ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);// 2、方法阻塞等待，直到有客户端连接Socket socket = serverSocket.accept();// 3、输入流，输出流InputStream inStream = socket.getInputStream();OutputStream outStream = socket.getOutputStream();// 4、数据接收和响应int readLen = 0;byte[] buf = new byte[1024];if ((readLen=inStream.read(buf)) != -1){// 接收数据String readVar = new String(buf, 0, readLen) ;System.out.println("readVar======="+readVar);}// 响应数据Thread.sleep(10000);outStream.write("sever-8080-write;".getBytes());// 5、资源关闭IoClose.ioClose(outStream,inStream,socket,serverSocket);}}

【客户端】Socket连接，先向ServerSocket发送请求，再接收其响应，由于Server端模拟耗时，Client处于长时间阻塞状态；

public class SocketClient01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket客户端Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8080);// 2、输入流，输出流OutputStream outStream = socket.getOutputStream();InputStream inStream = socket.getInputStream();// 3、数据发送和响应接收// 发送数据outStream.write("client-hello".getBytes());// 接收数据int readLen = 0;byte[] buf = new byte[1024];if ((readLen=inStream.read(buf)) != -1){String readVar = new String(buf, 0, readLen) ;System.out.println("readVar======="+readVar);}// 4、资源关闭IoClose.ioClose(inStream,outStream,socket);}}

三、同步非阻塞

1、模型图解

NIO即同步非阻塞，服务端可以实现一个线程，处理多个客户端请求连接，服务端的并发能力得到极大的提升；

这种模式下客户端的请求连接都会注册到Selector多路复用器上，多路复用器会进行轮询，对请求连接的IO流进行处理；

2、参考案例

【服务端】单线程可以处理多个客户端请求，通过轮询多路复用器查看是否有IO请求；

public class SocketServer01 {public static void main(String[] args) throws Exception {try {//启动服务开启监听ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();socketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));// 设置非阻塞，接受客户端socketChannel.configureBlocking(false);// 打开多路复用器Selector selector = Selector.open();// 服务端Socket注册到多路复用器，指定兴趣事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 多路复用器轮询ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);while (selector.select() >0){Set selectionKeys = selector.selectedKeys();Iterator selectionKeyIter = selectionKeys.iterator();while (selectionKeyIter.hasNext()){SelectionKey selectionKey = selectionKeyIter.next() ;selectionKeyIter.remove();if(selectionKey.isAcceptable()) {// 接受新的连接SocketChannel client = socketChannel.accept();// 设置读非阻塞client.configureBlocking(false);// 注册到多路复用器client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (selectionKey.isReadable()) {// 通道可读SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();int len = client.read(buffer);if (len > 0){buffer.flip();byte[] readArr = new byte[buffer.limit()];buffer.get(readArr);System.out.println(client.socket().getPort() + "端口数据:" + new String(readArr));buffer.clear();}}}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

【客户端】每隔3秒持续的向通道内写数据，服务端通过轮询多路复用器，持续的读取数据；

public class SocketClient01 {public static void main(String[] args) throws Exception {try {// 连接服务端SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);String conVar = "client-hello";writeBuffer.put(conVar.getBytes());writeBuffer.flip();// 每隔3S发送一次数据while (true) {Thread.sleep(3000);writeBuffer.rewind();socketChannel.write(writeBuffer);writeBuffer.clear();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

四、异步非阻塞

1、模型图解

AIO即异步非阻塞，对于通道内数据的「读」和「写」动作，都是采用异步的模式，对于性能的提升是巨大的；

这与常规的第三方对接模式很相似，本地服务在请求第三方服务时，请求过程耗时很大，会异步执行，第三方第一次回调，确认请求可以被执行；第二次回调则是推送处理结果，这种思想在处理复杂问题时，可以很大程度的提高性能，节省资源：

2、参考案例

【服务端】各种「accept」、「read」、「write」动作是异步，通过Future来获取计算的结果；

public class SocketServer01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 启动服务开启监听AsynchronousServerSocketChannel socketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() ;socketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));// 指定30秒内获取客户端连接，否则超时Future acceptFuture = socketChannel.accept();AsynchronousSocketChannel asyChannel = acceptFuture.get(30, TimeUnit.SECONDS);if (asyChannel != null && asyChannel.isOpen()){// 读数据ByteBuffer inBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);Future readResult = asyChannel.read(inBuffer);readResult.get();System.out.println("read："+new String(inBuffer.array()));// 写数据inBuffer.flip();Future writeResult = asyChannel.write(ByteBuffer.wrap("server-hello".getBytes()));writeResult.get();}// 关闭资源asyChannel.close();}}

【客户端】相关「connect」、「read」、「write」方法调用是异步的，通过Future来获取计算的结果；

public class SocketClient01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 连接服务端AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();Future result = socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));result.get();// 写数据String conVar = "client-hello";ByteBuffer reqBuffer = ByteBuffer.wrap(conVar.getBytes());Future writeFuture = socketChannel.write(reqBuffer);writeFuture.get();// 读数据ByteBuffer inBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);Future readFuture = socketChannel.read(inBuffer);readFuture.get();System.out.println("read："+new String(inBuffer.array()));// 关闭资源socketChannel.close();}}

五、Reactor模型

1、模型图解

这部分内容，可以参考「Doug Lea的《IO》」文档，查看更多细节；

1.1 Reactor设计原理

Reactor模式基于事件驱动设计，也称为「反应器」模式或者「分发者」模式；服务端收到多个客户端请求后，会将请求分派给对应的线程处理；

Reactor：负责事件的监听和分发；Handler：负责处理事件，核心逻辑「read读」、「decode解码」、「compute业务计算」、「encode编码」、「send应答数据」；

1.2 单Reactor单线程

【1】Reactor线程通过select监听客户端的请求事件，收到事件后通过Dispatch进行分发；

【2】如果是建立连接请求事件，Acceptor通过「accept」方法获取连接，并创建一个Handler对象来处理后续业务；

【3】如果不是连接请求事件，则Reactor会将该事件交由当前连接的Handler来处理；

【4】在Handler中，会完成相应的业务流程；

这种模式将所有逻辑「连接、读写、业务」放在一个线程中处理，避免多线程的通信，资源竞争等问题，但是存在明显的并发和性能问题；

1.3 单Reactor多线程

【1】Reactor线程通过select监听客户端的请求事件，收到事件后通过Dispatch进行分发；

【2】如果是建立连接请求事件，Acceptor通过「accept」方法获取连接，并创建一个Handler对象来处理后续业务；

【3】如果不是连接请求事件，则Reactor会将该事件交由当前连接的Handler来处理；

【4】在Handler中，只负责事件响应不处理具体业务，将数据发送给Worker线程池来处理；

【5】Worker线程池会分配具体的线程来处理业务，最后把结果返回给Handler做响应；

这种模式将业务从Reactor单线程分离处理，可以让其更专注于事件的分发和调度，Handler使用多线程也充分的利用cpu的处理能力，导致逻辑变的更加复杂，Reactor单线程依旧存在高并发的性能问题；

1.4 主从Reactor多线程

【1】 MainReactor主线程通过select监听客户端的请求事件，收到事件后通过Dispatch进行分发；

【2】如果是建立连接请求事件，Acceptor通过「accept」方法获取连接，之后MainReactor将连接分配给SubReactor；

【3】如果不是连接请求事件，则MainReactor将连接分配给SubReactor，SubReactor调用当前连接的Handler来处理；

【4】在Handler中，只负责事件响应不处理具体业务，将数据发送给Worker线程池来处理；

【5】Worker线程池会分配具体的线程来处理业务，最后把结果返回给Handler做响应；

这种模式Reactor线程分工明确，MainReactor负责接收新的请求连接，SubReactor负责后续的交互业务，适应于高并发的处理场景，是Netty组件通信框架的所采用的模式；

2、参考案例

【服务端】提供两个EventLoopGroup，「ParentGroup」主要是用来接收客户端的请求连接，真正的处理是转交给「ChildGroup」执行，即Reactor多线程模型；

@Slf4jpublic class NettyServer {public static void main(String[] args) {// EventLoop组，处理事件和IOEventLoopGroup parentGroup = new NioEventLoopGroup();EventLoopGroup childGroup = new NioEventLoopGroup();try {// 服务端启动引导类ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();serverBootstrap.group(parentGroup, childGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new ServerChannelInit());// 异步IO的结果ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8989).sync();channelFuture.channel().closeFuture().sync();} catch (Exception e){e.printStackTrace();} finally {parentGroup.shutdownGracefully();childGroup.shutdownGracefully();}}}class ServerChannelInit extends ChannelInitializer {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel socketChannel) {// 获取管道ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();// 编码、解码器pipeline.addLast(new StringDecoder(CharsetUtil.UTF_8));pipeline.addLast(new StringEncoder(CharsetUtil.UTF_8));// 添加自定义的handlerpipeline.addLast("serverHandler", new ServerHandler());}}class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {/** * 通道读和写 */@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {System.out.println("Server-Msg【"+msg+"】");TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);String nowTime = DateTime.now().toString(DatePattern.NORM_DATETIME_PATTERN) ;ctx.channel().writeAndFlush("hello-client；time：" + nowTime);ctx.fireChannelActive();}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx,Throwable cause) throws Exception {cause.printStackTrace();ctx.close();}}

【客户端】通过Bootstrap类，与服务器建立连接，服务端通过ServerBootstrap启动服务，绑定在8989端口，然后服务端和客户端进行通信；

public class NettyClient {public static void main(String[] args) {// EventLoop处理事件和IONioEventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();try {// 客户端通道引导Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.group(eventLoopGroup).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ClientChannelInit());// 异步IO的结果ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("localhost", 8989).sync();channelFuture.channel().closeFuture().sync();} catch (Exception e){e.printStackTrace();} finally {eventLoopGroup.shutdownGracefully();}}}class ClientChannelInit extends ChannelInitializer {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel socketChannel) {// 获取管道ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();// 编码、解码器pipeline.addLast(new StringDecoder(CharsetUtil.UTF_8));pipeline.addLast(new StringEncoder(CharsetUtil.UTF_8));// 添加自定义的handlerpipeline.addLast("clientHandler", new ClientHandler());}}class ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {/** * 通道读和写 */@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {System.out.println("Client-Msg【"+msg+"】");TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);String nowTime = DateTime.now().toString(DatePattern.NORM_DATETIME_PATTERN) ;ctx.channel().writeAndFlush("hello-server；time：" + nowTime);}@Overridepublic void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {ctx.channel().writeAndFlush("channel...active");}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx,Throwable cause) throws Exception {cause.printStackTrace();ctx.close();}}

六、参考源码

编程文档：https://gitee.com/cicadasmile/butte-java-note应用仓库：https://gitee.com/cicadasmile/butte-flyer-parent 责任编辑：武晓燕 来源：知了一笑 IO流服务端通信