基于Java的socket I/O流技術

王少輝++陳曉鵬

摘 要傳統的BIO技術在網絡通信中需要服務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。本文分析了BIO技術、NIO技術、AIO技術在網絡通信中的應用場合，解決了傳統BIO技術的不足，給出了其基本實現步驟及應用場景。

【關鍵詞】I/O NIO BIO SOCKET通信 Java 多線程

1 引言

傳統BIO技術在Socket通信中，系統需要為每一個鏈接建立一個線程去處理其請求，隨著客戶端的并發量不斷增加后，會導致線程數量的增加嚴重影響系統的性能。由于并發量的增加有可能導致服務器宕機，嚴重影響到用戶在使用過程中的良好體驗。為解決傳統BIO的不足，Java 中提供了新的API----NIO和NIO2來解決由于BIO技術帶來的系統瓶頸問題。在NIO中系統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用器上，通過多路復用器對注冊在其上的鏈接進行輪詢檢查，發現有鏈接請求才會開啟線程對其進行處理。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技術不同的是AIO技術是異非步阻塞的。AIO中不再需要多路復用器，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出后不再等待服務器的響應，而是處理完成后由操作系統來通知應用程序。AIO與NIO這兩種技術都極大地改變了傳統I/O流的不足。

2 Socket基本通信原理介紹

Socket是網絡通信中的其中一方，用來接收網絡通信中雙方其中一方的請求，方便的對雙方的數據進行傳輸。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據傳輸。本文基于有連接的套接字傳輸。

3 BIO、NIO、AIO技術比較

3.1 BIO技術簡介

BIO技術同步并且阻塞，在這種情況下，服務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器就需要開啟線程去進行處理。從客戶端傳來的每個請求，服務器都需要為其創建相應的線程去處理其請求。在BIO中，由于其線程的開銷很大，適合于運用在并發量小的場景下。其基本模型如圖1所示。

BIO網絡通信基本步驟：

3.1.1 服務低端

（1）創建ServerSocket并綁定監聽端口；

（2）創建Socket用來接收客戶端請求；

（3）創建輸入輸出流用來接收客戶端輸入或向客戶端輸出數據；

（4）關閉輸入輸出流等系統資源。

3.1.2 客戶端

（1）創建Socket綁定IP地址及端口；

（2）創建輸入輸出流用來接收服務器端相應或向服務器端發送數據；

（3）關閉輸入輸出流等系統資源。

3.2 NIO技術簡介

NIO技術即New IO技術，NIO技術由很多類和組件構成，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據到Buffer也可以將數據從Buffer寫入通道中。其中SocketChannel和ServerSocketChannel是NIO中提供的用來解決Socket通信中的服務器性能問題的。SocketChannel通過TCP協議來讀取網絡中的數據，ServerSocketChannel用來接收鏈接來的請求以供服務器相應。

Buffer：Buffer是用來為數據提供緩沖區的。在NIO技術中，所有的數據都必須經過緩沖區。緩沖區本質上為一塊可讀可寫的內存塊，NIO中提供了不同數據類型的緩沖區來處理不同的數據請求，和一些基本的方法來操作緩沖區中的數據。

Selector：Selector是單線程來處理多個鏈接請求的關鍵。在Socket通信中，如果將多個鏈接請求注冊到多路復用器上，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通信中的網絡模型

如圖2所示。

NIO通信基本步驟：

3.2.1 服務器端

（1）創建多路復用器Selector 用來選擇通道；

（2）創建服務器端通道ServerSocketChannel；

（3）為多路復用器上注冊ServerSocketChannel用來將數據通過通道讀寫；

（4）申請Buffer存儲數據；

（5）多路選擇器通過其key值輪詢檢查通道讀寫Buffer中的數據完成其通信過程。

3.2.2 客戶端

（1）創建IP地址和端口號對應的SocketChannel ；

（2）將SocketChannel設置為非阻塞模式；

（3）創建多路復用器Selector注冊SocketChannel到多路選擇器；

（4）多路選擇器輪詢檢查通道從Buffer中讀寫數據。

在NIO網絡通信模型中，客戶端向服務器端發起鏈接請求，客戶端將數據寫入服務器端Buffer中，然后通過channel來從Buffer讀取數據或向Buffer寫入數據，對于通道中的數據必須經過選擇器來向服務器端的線程發起請求。而每一個多路選擇器對應一個線程模型，這樣一來，只有當鏈接請求有效時服務器才為客戶端開啟線程處理數據。對于同步阻塞的NIO模型中客戶端在向服務器端發送完數據后會不斷詢問I/O操作是否就緒才能進行下一步的操作。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網絡通信更加高效。但由于NIO在鏈接請求中會不斷詢問I/O操作是否完成，其適合運用在短鏈接且并發量大的場合下。

3.3 AIO技術簡介

AIO即為異步非阻塞IO，與NIO不同的是，在這種模式下，客戶端發起一個鏈接請求后不在詢問服務器端的I/O操作是否完成便立即返回。在使用過程中只需直接調用異步的read和write方法來讀寫數據，在讀寫過程完畢后由操作系統主動通知應用程序讀寫操作是否完成。由AIO的讀寫過程可以看出，因為在讀寫完成后客戶端不需要再詢問服務器端是完成了I/O操作，所以AIO非常適合于運用在那些并發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：用來創建服務器端的ServerSocket并綁定地址監聽端口。

AsynchronousSocketChannel：Socket在異步非阻塞通信中的應用，用來表示一個連接請求，并用來在通信過程中傳遞數據。

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

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

3.3.1 服務器端

（1）創建AsynchronousChannelGroup；

（2）創建AsynchronousServerSocketChannel并將它綁定在AsynchronousChannelGroup上；

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

（4）調用accept（）接收客戶端請求實現CompletionHandler接口調用讀寫方法進行讀寫數據。

3.3.2 客戶端

（1）創建AsynchronousSocketChannel；

（2）綁定IP地址和端口號鏈接服務低端實現CompletionHandler接口中方法直接進行讀寫數據。

3.4 各種I/O技術比較分析

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

NIO：同步非阻塞I/O，使用難度復雜，可靠性高，適用于并發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，適用于并發量大且鏈接長的場景。

4 結語

傳統網絡在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IO性能瓶頸問題，使的Java在網絡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用領域。對于那些并發量小，數據傳輸量小的場景來說，傳統的BIO完全可以勝任其工作。相反對于那些對性能要求比較高，并發量大且對IO的要求比較搞得場合來說應該選擇NIO或者BIO技術。如果客戶端與服務器在長連接的情況下選擇AIO相比NIO會更加高效一些。相反，如果是短連接的應用領域，則推薦使用NIO。

參考文獻

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[5]任小強，陳金鷹，李文彬，胡波.網絡通信之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。碩士學位。現為山東大學（威海）機電與信息工程學院學生。主要研究方向為電路與系統。

陳曉鵬（1992-），男，天津市人。碩士學位。現為山東大學（威海）機電與信息工程學院學生。主要研究方向為電路與系統。

作者單位

山東大學（威海）機電與信息工程學院 山東省威海市 264209