基于Java的socket I/O流技術(shù)

王少輝++陳曉鵬

摘 要傳統(tǒng)的BIO技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中需要服務(wù)器為每一個鏈接都建立一個線程，如果其中已連接的請求沒有任何操作，將造成線程浪費(fèi)。本文分析了BIO技術(shù)、NIO技術(shù)、AIO技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用場合，解決了傳統(tǒng)BIO技術(shù)的不足，給出了其基本實(shí)現(xiàn)步驟及應(yīng)用場景。

【關(guān)鍵詞】I/O NIO BIO SOCKET通信 Java 多線程

1 引言

傳統(tǒng)BIO技術(shù)在Socket通信中，系統(tǒng)需要為每一個鏈接建立一個線程去處理其請求，隨著客戶端的并發(fā)量不斷增加后，會導(dǎo)致線程數(shù)量的增加嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。由于并發(fā)量的增加有可能導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)，嚴(yán)重影響到用戶在使用過程中的良好體驗(yàn)。為解決傳統(tǒng)BIO的不足，Java 中提供了新的API----NIO和NIO2來解決由于BIO技術(shù)帶來的系統(tǒng)瓶頸問題。在NIO中系統(tǒng)不再為每一個用戶請求注冊一個線程，而是通過通道將每一個鏈接都注冊到多路復(fù)用器上，通過多路復(fù)用器對注冊在其上的鏈接進(jìn)行輪詢檢查，發(fā)現(xiàn)有鏈接請求才會開啟線程對其進(jìn)行處理。NIO只在有連接請求時selector才會不斷輪詢檢查通道IO操作是否完成，與NIO技術(shù)不同的是AIO技術(shù)是異非步阻塞的。AIO中不再需要多路復(fù)用器，而是由異步非阻塞通道直接操作read和write方法。在客戶端讀寫請求發(fā)出后不再等待服務(wù)器的響應(yīng)，而是處理完成后由操作系統(tǒng)來通知應(yīng)用程序。AIO與NIO這兩種技術(shù)都極大地改變了傳統(tǒng)I/O流的不足。

2 Socket基本通信原理介紹

Socket是網(wǎng)絡(luò)通信中的其中一方，用來接收網(wǎng)絡(luò)通信中雙方其中一方的請求，方便的對雙方的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。Socket通信分有連接的和無連接，面向連接的Socket通信與面向非連接的Socket通信相比有更高的可靠性和更有效的數(shù)據(jù)傳輸。本文基于有連接的套接字傳輸。

3 BIO、NIO、AIO技術(shù)比較

3.1 BIO技術(shù)簡介

BIO技術(shù)同步并且阻塞，在這種情況下，服務(wù)器需要為每一個連接開啟一個線程，只要有客戶端有請求服務(wù)器就需要開啟線程去進(jìn)行處理。從客戶端傳來的每個請求，服務(wù)器都需要為其創(chuàng)建相應(yīng)的線程去處理其請求。在BIO中，由于其線程的開銷很大，適合于運(yùn)用在并發(fā)量小的場景下。其基本模型如圖1所示。

BIO網(wǎng)絡(luò)通信基本步驟：

3.1.1 服務(wù)低端

（1）創(chuàng)建ServerSocket并綁定監(jiān)聽端口；

（2）創(chuàng)建Socket用來接收客戶端請求；

（3）創(chuàng)建輸入輸出流用來接收客戶端輸入或向客戶端輸出數(shù)據(jù)；

（4）關(guān)閉輸入輸出流等系統(tǒng)資源。

3.1.2 客戶端

（1）創(chuàng)建Socket綁定IP地址及端口；

（2）創(chuàng)建輸入輸出流用來接收服務(wù)器端相應(yīng)或向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)；

（3）關(guān)閉輸入輸出流等系統(tǒng)資源。

3.2 NIO技術(shù)簡介

NIO技術(shù)即New IO技術(shù)，NIO技術(shù)由很多類和組件構(gòu)成，其最重要的由channel、Buffer、和Selectors三個核心部分組成。

Channel：Java NIO中的通道類似于流，但又不完全相同。既可以從通道中讀取數(shù)據(jù)到Buffer也可以將數(shù)據(jù)從Buffer寫入通道中。其中SocketChannel和ServerSocketChannel是NIO中提供的用來解決Socket通信中的服務(wù)器性能問題的。SocketChannel通過TCP協(xié)議來讀取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，ServerSocketChannel用來接收鏈接來的請求以供服務(wù)器相應(yīng)。

Buffer：Buffer是用來為數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū)的。在NIO技術(shù)中，所有的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過緩沖區(qū)。緩沖區(qū)本質(zhì)上為一塊可讀可寫的內(nèi)存塊，NIO中提供了不同數(shù)據(jù)類型的緩沖區(qū)來處理不同的數(shù)據(jù)請求，和一些基本的方法來操作緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

Selector：Selector是單線程來處理多個鏈接請求的關(guān)鍵。在Socket通信中，如果將多個鏈接請求注冊到多路復(fù)用器上，就可以用一個線程來處理多個鏈接請求，這樣就提高了Socket通信的效率。NIO通信中的網(wǎng)絡(luò)模型

如圖2所示。

NIO通信基本步驟：

3.2.1 服務(wù)器端

（1）創(chuàng)建多路復(fù)用器Selector 用來選擇通道；

（2）創(chuàng)建服務(wù)器端通道ServerSocketChannel；

（3）為多路復(fù)用器上注冊ServerSocketChannel用來將數(shù)據(jù)通過通道讀寫；

（4）申請Buffer存儲數(shù)據(jù)；

（5）多路選擇器通過其key值輪詢檢查通道讀寫B(tài)uffer中的數(shù)據(jù)完成其通信過程。

3.2.2 客戶端

（1）創(chuàng)建IP地址和端口號對應(yīng)的SocketChannel ；

（2）將SocketChannel設(shè)置為非阻塞模式；

（3）創(chuàng)建多路復(fù)用器Selector注冊SocketChannel到多路選擇器；

（4）多路選擇器輪詢檢查通道從Buffer中讀寫數(shù)據(jù)。

在NIO網(wǎng)絡(luò)通信模型中，客戶端向服務(wù)器端發(fā)起鏈接請求，客戶端將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器端Buffer中，然后通過channel來從Buffer讀取數(shù)據(jù)或向Buffer寫入數(shù)據(jù)，對于通道中的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過選擇器來向服務(wù)器端的線程發(fā)起請求。而每一個多路選擇器對應(yīng)一個線程模型，這樣一來，只有當(dāng)鏈接請求有效時服務(wù)器才為客戶端開啟線程處理數(shù)據(jù)。對于同步阻塞的NIO模型中客戶端在向服務(wù)器端發(fā)送完數(shù)據(jù)后會不斷詢問I/O操作是否就緒才能進(jìn)行下一步的操作。此模型中由于不需要為每一個鏈接請求創(chuàng)建一個線程，大大減少了線程之間的切換帶來的巨大開銷。提高了I/O的效率，使得在socket網(wǎng)絡(luò)通信更加高效。但由于NIO在鏈接請求中會不斷詢問I/O操作是否完成，其適合運(yùn)用在短鏈接且并發(fā)量大的場合下。

3.3 AIO技術(shù)簡介

AIO即為異步非阻塞IO，與NIO不同的是，在這種模式下，客戶端發(fā)起一個鏈接請求后不在詢問服務(wù)器端的I/O操作是否完成便立即返回。在使用過程中只需直接調(diào)用異步的read和write方法來讀寫數(shù)據(jù)，在讀寫過程完畢后由操作系統(tǒng)主動通知應(yīng)用程序讀寫操作是否完成。由AIO的讀寫過程可以看出，因?yàn)樵谧x寫完成后客戶端不需要再詢問服務(wù)器端是完成了I/O操作，所以AIO非常適合于運(yùn)用在那些并發(fā)量大且長連接的請求。AIO模型如圖3所示。

AIO中有幾個比較重要的類：

AsynchronousServerSocket：用來創(chuàng)建服務(wù)器端的ServerSocket并綁定地址監(jiān)聽端口。

AsynchronousSocketChannel：Socket在異步非阻塞通信中的應(yīng)用，用來表示一個連接請求，并用來在通信過程中傳遞數(shù)據(jù)。

AsynchronousChannelGroup：異步通道的分組管理，目的是問了資源共享。創(chuàng)建AsynchronousChannelGroup時需要為其綁定一個線程執(zhí)行器對象，這個線程池主要完成兩個任務(wù)：處理I/O事件和派發(fā)CompletionHandler。在創(chuàng)建AsynchronousServerSocket時需要為其綁定一個AsynchronousChannelGroup。通過AsynchronousServerSocket創(chuàng)建的AsynchronousChannelGroup將屬于同一組，共享其中資源。

CompletionHandler：用于定義在異步IO操作完成后的回調(diào)接口。

3.3.1 服務(wù)器端

（1）創(chuàng)建AsynchronousChannelGroup；

（2）創(chuàng)建AsynchronousServerSocketChannel并將它綁定在AsynchronousChannelGroup上；

（3）為AsynchronousServerSocketChannel對象綁定端口號；

（4）調(diào)用accept（）接收客戶端請求實(shí)現(xiàn)CompletionHandler接口調(diào)用讀寫方法進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。

3.3.2 客戶端

（1）創(chuàng)建AsynchronousSocketChannel；

（2）綁定IP地址和端口號鏈接服務(wù)低端實(shí)現(xiàn)CompletionHandler接口中方法直接進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。

3.4 各種I/O技術(shù)比較分析

BIO：同步阻塞I/O，使用難度簡單，可靠性低，適用于鏈接并發(fā)量小的架構(gòu)且對服務(wù)器資源依賴更高。

NIO：同步非阻塞I/O，使用難度復(fù)雜，可靠性高，適用于并發(fā)量大且鏈接較短的場景。

AIO：異步非阻塞I/O，使用難度一般，可靠性高，適用于并發(fā)量大且鏈接長的場景。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在IO處理方面存在著性能不足的問題，NIO與AIO包的引入解決了傳統(tǒng)IO性能瓶頸問題，使的Java在網(wǎng)絡(luò)通信中有了更搞得效率。對于不同的IO來說，它們各自有有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。對于那些并發(fā)量小，數(shù)據(jù)傳輸量小的場景來說，傳統(tǒng)的BIO完全可以勝任其工作。相反對于那些對性能要求比較高，并發(fā)量大且對IO的要求比較搞得場合來說應(yīng)該選擇NIO或者BIO技術(shù)。如果客戶端與服務(wù)器在長連接的情況下選擇AIO相比NIO會更加高效一些。相反，如果是短連接的應(yīng)用領(lǐng)域，則推薦使用NIO。

參考文獻(xiàn)

[1]范寶德，馬建生.Java非阻塞通訊研究[J].微計算機(jī)信息，2006，22（12-3）：116-119.

[2]劉邦桂，李正凡.用Java實(shí)現(xiàn)流式Socket通訊[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2007，24（05）：110-112.

[3]封瑋，周世平.基于Java NIO的非阻塞通信的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2004（09）：32-35.

[5]任小強(qiáng)，陳金鷹，李文彬，胡波.網(wǎng)絡(luò)通信之Java Socket多線程通信[J].信息通信，2015（06）：206-207.

作者簡介

王少輝（1992-），男，山西省平順縣人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為山東大學(xué)（威海）機(jī)電與信息工程學(xué)院學(xué)生。主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

陳曉鵬（1992-），男，天津市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為山東大學(xué)（威海）機(jī)電與信息工程學(xué)院學(xué)生。主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

作者單位

山東大學(xué)（威海）機(jī)電與信息工程學(xué)院 山東省威海市 264209