基于Java的socket I/O流技术

王少辉++陈晓鹏

摘 要传统的BIO技术在网络通信中需要服务器为每一个链接都建立一个线程，如果其中已连接的请求没有任何操作，将造成线程浪费。本文分析了BIO技术、NIO技术、AIO技术在网络通信中的应用场合，解决了传统BIO技术的不足，给出了其基本实现步骤及应用场景。

【关键词】I/O NIO BIO SOCKET通信 Java 多线程

1 引言

传统BIO技术在Socket通信中，系统需要为每一个链接建立一个线程去处理其请求，随着客户端的并发量不断增加后，会导致线程数量的增加严重影响系统的性能。由于并发量的增加有可能导致服务器宕机，严重影响到用户在使用过程中的良好体验。为解决传统BIO的不足，Java 中提供了新的API----NIO和NIO2来解决由于BIO技术带来的系统瓶颈问题。在NIO中系统不再为每一个用户请求注册一个线程，而是通过通道将每一个链接都注册到多路复用器上，通过多路复用器对注册在其上的链接进行轮询检查，发现有链接请求才会开启线程对其进行处理。NIO只在有连接请求时selector才会不断轮询检查通道IO操作是否完成，与NIO技术不同的是AIO技术是异非步阻塞的。AIO中不再需要多路复用器，而是由异步非阻塞通道直接操作read和write方法。在客户端读写请求发出后不再等待服务器的响应，而是处理完成后由操作系统来通知应用程序。AIO与NIO这两种技术都极大地改变了传统I/O流的不足。

2 Socket基本通信原理介绍

Socket是网络通信中的其中一方，用来接收网络通信中双方其中一方的请求，方便的对双方的数据进行传输。Socket通信分有连接的和无连接，面向连接的Socket通信与面向非连接的Socket通信相比有更高的可靠性和更有效的数据传输。本文基于有连接的套接字传输。

3 BIO、NIO、AIO技术比较

3.1 BIO技术简介

BIO技术同步并且阻塞，在这种情况下，服务器需要为每一个连接开启一个线程，只要有客户端有请求服务器就需要开启线程去进行处理。从客户端传来的每个请求，服务器都需要为其创建相应的线程去处理其请求。在BIO中，由于其线程的开销很大，适合于运用在并发量小的场景下。其基本模型如图1所示。

BIO网络通信基本步骤：

3.1.1 服务低端

（1）创建ServerSocket并绑定监听端口；

（2）创建Socket用来接收客户端请求；

（3）创建输入输出流用来接收客户端输入或向客户端输出数据；

（4）关闭输入输出流等系统资源。

3.1.2 客户端

（1）创建Socket绑定IP地址及端口；

（2）创建输入输出流用来接收服务器端相应或向服务器端发送数据；

（3）关闭输入输出流等系统资源。

3.2 NIO技术简介

NIO技术即New IO技术，NIO技术由很多类和组件构成，其最重要的由channel、Buffer、和Selectors三个核心部分组成。

Channel：Java NIO中的通道类似于流，但又不完全相同。既可以从通道中读取数据到Buffer也可以将数据从Buffer写入通道中。其中SocketChannel和ServerSocketChannel是NIO中提供的用来解决Socket通信中的服务器性能问题的。SocketChannel通过TCP协议来读取网络中的数据，ServerSocketChannel用来接收链接来的请求以供服务器相应。

Buffer：Buffer是用来为数据提供缓冲区的。在NIO技术中，所有的数据都必须经过缓冲区。缓冲区本质上为一块可读可写的内存块，NIO中提供了不同数据类型的缓冲区来处理不同的数据请求，和一些基本的方法来操作缓冲区中的数据。

Selector：Selector是单线程来处理多个链接请求的关键。在Socket通信中，如果将多个链接请求注册到多路复用器上，就可以用一个线程来处理多个链接请求，这样就提高了Socket通信的效率。NIO通信中的网络模型

如图2所示。

NIO通信基本步骤：

3.2.1 服务器端

（1）创建多路复用器Selector 用来选择通道；

（2）创建服务器端通道ServerSocketChannel；

（3）为多路复用器上注册ServerSocketChannel用来将数据通过通道读写；

（4）申请Buffer存储数据；

（5）多路选择器通过其key值轮询检查通道读写Buffer中的数据完成其通信过程。

3.2.2 客戶端

（1）创建IP地址和端口号对应的SocketChannel ；

（2）将SocketChannel设置为非阻塞模式；

（3）创建多路复用器Selector注册SocketChannel到多路选择器；

（4）多路选择器轮询检查通道从Buffer中读写数据。

在NIO网络通信模型中，客户端向服务器端发起链接请求，客户端将数据写入服务器端Buffer中，然后通过channel来从Buffer读取数据或向Buffer写入数据，对于通道中的数据必须经过选择器来向服务器端的线程发起请求。而每一个多路选择器对应一个线程模型，这样一来，只有当链接请求有效时服务器才为客户端开启线程处理数据。对于同步阻塞的NIO模型中客户端在向服务器端发送完数据后会不断询问I/O操作是否就绪才能进行下一步的操作。此模型中由于不需要为每一个链接请求创建一个线程，大大减少了线程之间的切换带来的巨大开销。提高了I/O的效率，使得在socket网络通信更加高效。但由于NIO在链接请求中会不断询问I/O操作是否完成，其适合运用在短链接且并发量大的场合下。

3.3 AIO技术简介

AIO即为异步非阻塞IO，与NIO不同的是，在这种模式下，客户端发起一个链接请求后不在询问服务器端的I/O操作是否完成便立即返回。在使用过程中只需直接调用异步的read和write方法来读写数据，在读写过程完毕后由操作系统主动通知应用程序读写操作是否完成。由AIO的读写过程可以看出，因为在读写完成后客户端不需要再询问服务器端是完成了I/O操作，所以AIO非常适合于运用在那些并发量大且长连接的请求。AIO模型如图3所示。

AIO中有几个比较重要的类：

AsynchronousServerSocket：用来创建服务器端的ServerSocket并绑定地址监听端口。

AsynchronousSocketChannel：Socket在异步非阻塞通信中的应用，用来表示一个连接请求，并用来在通信过程中传递数据。

AsynchronousChannelGroup：异步通道的分组管理，目的是问了资源共享。创建AsynchronousChannelGroup时需要为其绑定一个线程执行器对象，这个线程池主要完成两个任务：处理I/O事件和派发CompletionHandler。在创建AsynchronousServerSocket时需要为其绑定一个AsynchronousChannelGroup。通过AsynchronousServerSocket创建的AsynchronousChannelGroup将属于同一组，共享其中资源。

CompletionHandler：用于定义在异步IO操作完成后的回调接口。

3.3.1 服务器端

（1）创建AsynchronousChannelGroup；

（2）创建AsynchronousServerSocketChannel并将它绑定在AsynchronousChannelGroup上；

（3）为AsynchronousServerSocketChannel对象绑定端口号；

（4）调用accept（）接收客户端请求实现CompletionHandler接口调用读写方法进行读写数据。

3.3.2 客户端

（1）创建AsynchronousSocketChannel；

（2）绑定IP地址和端口号链接服务低端实现CompletionHandler接口中方法直接进行读写数据。

3.4 各种I/O技術比较分析

BIO：同步阻塞I/O，使用难度简单，可靠性低，适用于链接并发量小的架构且对服务器资源依赖更高。

NIO：同步非阻塞I/O，使用难度复杂，可靠性高，适用于并发量大且链接较短的场景。

AIO：异步非阻塞I/O，使用难度一般，可靠性高，适用于并发量大且链接长的场景。

4 结语

传统网络在IO处理方面存在着性能不足的问题，NIO与AIO包的引入解决了传统IO性能瓶颈问题，使的Java在网络通信中有了更搞得效率。对于不同的IO来说，它们各自有有不同的应用领域。对于那些并发量小，数据传输量小的场景来说，传统的BIO完全可以胜任其工作。相反对于那些对性能要求比较高，并发量大且对IO的要求比较搞得场合来说应该选择NIO或者BIO技术。如果客户端与服务器在长连接的情况下选择AIO相比NIO会更加高效一些。相反，如果是短连接的应用领域，则推荐使用NIO。

参考文献

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[3]封玮，周世平.基于Java NIO的非阻塞通信的研究与实现[J].计算机系统应用，2004（09）：32-35.

[5]任小强，陈金鹰，李文彬，胡波.网络通信之Java Socket多线程通信[J].信息通信，2015（06）：206-207.

作者简介

王少辉（1992-），男，山西省平顺县人。硕士学位。现为山东大学（威海）机电与信息工程学院学生。主要研究方向为电路与系统。

陈晓鹏（1992-），男，天津市人。硕士学位。现为山东大学（威海）机电与信息工程学院学生。主要研究方向为电路与系统。

作者单位

山东大学（威海）机电与信息工程学院 山东省威海市 264209