开篇介绍
大家好，我是Java最全面试题库的提裤姐，今天这篇是JavaSE系列的第十五篇，主要总结了Java中的IO流的问题，IO流分为两篇来讲，这篇是第二篇，主要是网络IO流，在后续，会沿着第一篇开篇的知识线路一直总结下去，做到日更！如果我能做到百日百更，希望你也可以跟着百日百刷，一百天养成一个好习惯。
什么是bio
同步阻塞式IO，服务端创建一个ServerSocket，然后客户端用一个Socket去连接那个ServerSocket，然后ServerSocket接收到一个Socket的连接请求就创建一个Socket和一个线程去跟那个Socket进行通信。
public class BioServer {
public static void main(String[] args) {
// 服务端开启一个端口进行监听
int port = 8080;
ServerSocket serverSocket = null; //服务端
Socket socket; //客户端
InputStream in = null;
OutputStream out = null;
try {
serverSocket = new ServerSocket(port); //通过构造函数创建ServerSocket，指定监听端口，如果端口合法且空闲，服务器就会监听成功
// 通过无限循环监听客户端连接，如果没有客户端接入，则会阻塞在accept操作
while (true) {
System.out.println("Waiting for a new Socket to establish" + " ," + new Date().toString());
socket = serverSocket.accept();//阻塞 三次握手
in = socket.getInputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int length = 0;
while ((length = in.read(buffer)) > 0) {//阻塞
System.out.println("input is:" + new String(buffer, 0, length) + " ," + new Date().toString());
out = socket.getOutputStream();
out.write("success".getBytes());
System.out.println("Server end" + " ," + new Date().toString());
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 必要的清理活动
if (serverSocket != null) {
try {
serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (in != null) {
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (out != null) {
try {
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
什么是nio
同步非阻塞
包括Selector，这是多路复用器，selector会不断轮询注册的channel，如果某个channel上发生了读写事件，selector就会将这些channel获取出来，我们通过SelectionKey获取有读写事件的channel，就可以进行IO操作。一个Selector就通过一个线程，就可以轮询成千上万的channel，这就意味着你的服务端可以接入成千上万的客户端。
public class NioDemo implements Runnable {
public int id = 100001;
public int bufferSize = 2048;
@Override
public void run() {
init();
}
public void init() {
try {
// 创建通道和选择器
ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
Selector selector = Selector.open();
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(
InetAddress.getLocalHost(), 4700);
socketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
// 设置通道非阻塞 绑定选择器
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT).attach(
id++);
System.out.println("Server started .... port:4700");
listener(selector);
} catch (Exception e) {
}
}
public void listener(Selector in_selector) {
try {
while (true) {
Thread.sleep(1 * 1000);
in_selector.select(); // 阻塞 直到有就绪事件为止
Set<SelectionKey> readySelectionKey = in_selector
.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = readySelectionKey.iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = it.next();
// 判断是哪个事件
if (selectionKey.isAcceptable()) {// 客户请求连接
System.out.println(selectionKey.attachment()
+ " - 接受请求事件");
// 获取通道 接受连接,
// 设置非阻塞模式（必须），同时需要注册 读写数据的事件，这样有消息触发时才能捕获
ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey
.channel();
serverSocketChannel
.accept()
.configureBlocking(false)
.register(
in_selector,
SelectionKey.OP_READ
| SelectionKey.OP_WRITE).attach(id++);
System.out
.println(selectionKey.attachment() + " - 已连接");
// 下面这种写法是有问题的 不应该在serverSocketChannel上面注册
/*
* serverSocketChannel.configureBlocking(false);
* serverSocketChannel.register(in_selector,
* SelectionKey.OP_READ);
* serverSocketChannel.register(in_selector,
* SelectionKey.OP_WRITE);
*/
}
if (selectionKey.isReadable()) {// 读数据
System.out.println(selectionKey.attachment()
+ " - 读数据事件");
SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer receiveBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
clientChannel.read(receiveBuf);
System.out.println(selectionKey.attachment()
+ " - 读取数据：" + getString(receiveBuf));
}
if (selectionKey.isWritable()) {// 写数据
System.out.println(selectionKey.attachment()
+ " - 写数据事件");
SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer sendBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
String sendText = "hello\n";
sendBuf.put(sendText.getBytes());
sendBuf.flip(); //写完数据后调用此方法
clientChannel.write(sendBuf);
}
if (selectionKey.isConnectable()) {
System.out.println(selectionKey.attachment()
+ " - 连接事件");
}
// 必须removed 否则会继续存在，下一次循环还会进来,
// 注意removed 的位置，针对一个.next() remove一次
it.remove();
}
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("Error - " + e.getMessage());
e.printStackTrace();
}
}
/**
* ByteBuffer 转换 String
*
* @param buffer
* @return
*/
public static String getString(ByteBuffer buffer) {
String string = "";
try {
for (int i = 0; i < buffer.position(); i++) {
string += (char) buffer.get(i);
}
return string;
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
return "";
}
}
}
什么是aio
异步非阻塞
每个连接发送过来的请求，都会绑定一个buffer，然后通知操作系统去异步完成读，此时你的程序是会去干别的事儿的，等操作系统完成数据读取之后，就会回调你的接口，给你操作系统异步读完的数据。
public class AIOServer {
public final static int PORT = 9888;
private AsynchronousServerSocketChannel server;
public AIOServer() throws IOException {
server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(
new InetSocketAddress(PORT));
}
public void startWithFuture() throws InterruptedException,
ExecutionException, TimeoutException {
while (true) {// 循环接收客户端请求
Future<AsynchronousSocketChannel> future = server.accept();
AsynchronousSocketChannel socket = future.get();// get() 是为了确保 accept 到一个连接
handleWithFuture(socket);
}
}
public void handleWithFuture(AsynchronousSocketChannel channel) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(2);
readBuf.clear();
while (true) {// 一次可能读不完
//get 是为了确保 read 完成，超时时间可以有效避免DOS攻击，如果客户端一直不发送数据，则进行超时处理
Integer integer = channel.read(readBuf).get(10, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("read: " + integer);
if (integer == -1) {
break;
}
readBuf.flip();
System.out.println("received: " + Charset.forName("UTF-8").decode(readBuf));
readBuf.clear();
}
}
public void startWithCompletionHandler() throws InterruptedException,
ExecutionException, TimeoutException {
server.accept(null,
new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment) {
server.accept(null, this);// 再此接收客户端连接
handleWithCompletionHandler(result);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
}
public void handleWithCompletionHandler(final AsynchronousSocketChannel channel) {
try {
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
final long timeout = 10L;
channel.read(buffer, timeout, TimeUnit.SECONDS, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
@Override
public void completed(Integer result, Object attachment) {
System.out.println("read:" + result);
if (result == -1) {
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return;
}
buffer.flip();
System.out.println("received message:" + Charset.forName("UTF-8").decode(buffer));
buffer.clear();
channel.read(buffer, timeout, TimeUnit.SECONDS, null, this);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String args[]) throws Exception {
// new AIOServer().startWithFuture();
new AIOServer().startWithCompletionHandler();
Thread.sleep(100000);
}
}
什么是epoll
一种多路复用的技术，可以解决之前poll和select大量并发连接情况下cpu利用率过高，以及需要遍历整个被侦听的描述符集的问题。epoll只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。
什么是mmap技术
把一个磁盘文件映射到内存里来，然后把映射到内存里来的数据通过socket发送出去
有一种mmap技术，也就是内存映射，直接将磁盘文件数据映射到内核缓冲区，这个映射的过程是基于DMA引擎拷贝的，同时用户缓 冲区是跟内核缓冲区共享一块映射数据的，建立共享映射之后，就不需要从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区了
光是这一点，就可以避免一次拷贝了，但是这个过程中还是会用户态切换到内核态去进行映射拷贝，接着再次从内核态切换到用户态， 建立用户缓冲区和内核缓冲区的映射
接着把数据通过Socket发送出去，还是要再次切换到内核态
接着直接把内核缓冲区里的数据拷贝到Socket缓冲区里去，然后再拷贝到网络协议引擎里，发送出去就可以了，最后切换回用户态
减少一次拷贝，但是并不减少切换次数，一共是4次切换，3次拷贝
什么是零拷贝技术
linux提供了sendfile，也就是零拷贝技术
这个零拷贝技术，就是先从用户态切换到内核态，在内核态的状态下，把磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区，同时从内核缓冲区拷贝一些 offset和length到Socket缓冲区；接着从内核态切换到用户态，从内核缓冲区直接把数据拷贝到网络协议引擎里去
同时从Socket缓冲区里拷贝一些offset和length到网络协议引擎里去，但是这个offset和length的量很少，几乎可以忽略
只要2次切换，2次拷贝，就可以了
说一下select，poll，epoll的区别？
select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。
epoll也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。
select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。
网络IO模型有哪些？
阻塞IO（bloking IO）
应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。
非阻塞IO（non-blocking IO）
应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。
多路复用IO（multiplexing IO）
轮询多个IO任务的状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。这就是IO多路复用
信号驱动式IO（signal-driven IO）
应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
异步IO（asynchronous IO）
应用进程执行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程可以继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。
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