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」，流中可能是线程同步或者异步，服务端进行「流」处理时，模型可能是总结阻塞或者非阻塞模式，当然也有自定义的流中业务流程需要执行，从处理逻辑看就是线程「读取数据-业务执行-应答写数据」的形式。

一、模型基础简介

在IO流的总结网络模型中，以常见的流中「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」，可能是线程同步或者异步，服务端进行「流」处理时，模型可能是总结阻塞或者非阻塞模式，当然也有自定义的流中业务流程需要执行，从处理逻辑看就是线程「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」、模型「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<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> 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<AsynchronousSocketChannel> acceptFuture = socketChannel.accept();
AsynchronousSocketChannel asyChannel = acceptFuture.get(30, TimeUnit.SECONDS);

if (asyChannel != null && asyChannel.isOpen()){ 
// 读数据
ByteBuffer inBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Future<Integer> readResult = asyChannel.read(inBuffer);
readResult.get();
System.out.println("read："+new String(inBuffer.array()));

// 写数据
inBuffer.flip();
Future<Integer> 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<Void> 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<Integer> writeFuture = socketChannel.write(reqBuffer);
writeFuture.get();

// 读数据
ByteBuffer inBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Future<Integer> 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；

@Slf4j
public class NettyServer { 
public static void main(String[] args) { 
// EventLoop组，处理事件和IO
EventLoopGroup 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<SocketChannel> { 
@Override
protected 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handler
pipeline.addLast("serverHandler", new ServerHandler());
}
}

class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
/**
* 通道读和写
*/
@Override
public 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();
}
@Override
public 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IO
NioEventLoopGroup 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<SocketChannel> { 
@Override
protected 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handler
pipeline.addLast("clientHandler", new ClientHandler());
}
}

class ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
/**
* 通道读和写
*/
@Override
public 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);
}
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { 
ctx.channel().writeAndFlush("channel...active");
}
@Override
public 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

(责任编辑：休闲)