IO流中「线程」模型总结

> IO流模块：经常看、经常用、经常忘； # 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； ```java 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； ```java 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； ```java 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； ```java 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； ```java 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； ```java 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； ```java @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； ```java 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 ```</socketchannel></socketchannel></integer></integer></void></integer></integer></asynchronoussocketchannel></selectionkey></selectionkey>