IO通信模型—同步阻塞模式BIO

来自： 掘金（作者：未读代码）

原文链接：

https://juejin.im/post/5dc37d895188256d85228de6

几个概念

阻塞IO和 非阻塞IO 这两个概念是程序级别的。主要描述的是程序请求操作系统IO操作后，如果IO资源没有准备好，那么程序该如何处理的问题：前者等待；后者继续执行（但是使用线程一直轮询，直到有IO资源准备好了）。

同步IO和 异步IO ，这两个概念是操作系统级别的。主要描述的是操作系统在收到程序请求IO操作后，如果IO资源没有准备好，该如何响应程序的问题：前者不响应，直到IO资源准备好以后；后者返回一个标记（好让程序和自己知道以后的数据往哪里通知），当IO资源准备好以后，再用事件机制返回给程序。

同步阻塞模式（Blocking IO）

同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时如果数据没有准备号会被阻塞。

图片来源:www.masterraghu.com

伪 代码表示如下：

{
// 阻塞，直到有数据
read(socket, buffer);
process(buffer);
}

BIO通信方式的 特点 ：

1. 一个线程负责连接，多线程则为每一个接入开启一个线程。

2. 一个请求一个应答。

3. 请求之后应答之前客户端会一直等待（阻塞）。

BIO通信方式在单线程服务器下一次只能处理一个请求，在处理完毕之前一直阻塞。因此不适用于高并发的情况。不过可以使用多线程 稍微 改进。

Java同步阻塞模式

Java中的阻塞模式BIO，就是在 java.net 包中的Socket套接字的实现，Socket套接字是TCP/UDP等传输层协议的实现。

Java同步阻塞模式编码

多线程客户端

为了测试服务端程序，可以先编写一个多线程客户端用于请求测试。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * <p>
 * BIO测试
 * 模拟20个客户端并发请求，服务端则使用单线程。
 *
 * @Author niujinpeng
 * @Date 2018/10/15 10:50
 */
public class SocketClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Integer clientNumber = 20;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientNumber);

// 分别启动20个客户端
for (int index = 0; index < clientNumber; index++, countDownLatch.countDown()) {
            SocketClientRequestThread client = new SocketClientRequestThread(countDownLatch, index);
new Thread(client).start();
        }

synchronized (SocketClient.class) {
            SocketClient.class.wait();
        }
    }
}

/**
 * <p>
 * 客户端，用于模拟请求
 *
 * @Author niujinpeng
 * @Date 2018/10/15 10:53
 */
class SocketClientRequestThread implements Runnable {

private CountDownLatch countDownLatch;

/**
     * 线程的编号
     */
private Integer clientIndex;


public SocketClientRequestThread(CountDownLatch countDownLatch, Integer clientIndex) {
this.countDownLatch = countDownLatch;
this.clientIndex = clientIndex;
    }

@Override
public void run() {
        Socket socket = null;
        OutputStream clientRequest = null;
        InputStream clientResponse = null;
try {
            socket = new Socket("localhost", 83);
            clientRequest = socket.getOutputStream();
            clientResponse = socket.getInputStream();

//等待，直到SocketClientDaemon完成所有线程的启动，然后所有线程一起发送请求
this.countDownLatch.await();

// 发送请求信息
            clientRequest.write(("这是第" + this.clientIndex + "个客户端的请求").getBytes());
            clientRequest.flush();

// 等待服务器返回消息
            System.out.println("第" + this.clientIndex + "个客户端请求发送完成，等待服务器响应");
int maxLen = 1024;
byte[] contentBytes = new byte[maxLen];
int realLen;
            String message = "";

// 等待服务端返回，in和out不能cloese
while ((realLen = clientResponse.read(contentBytes, 0, maxLen)) != -1) {
                message += new String(contentBytes, 0, realLen);
            }
            System.out.println("第" + this.clientIndex + "个客户端接受到来自服务器的消息:" + message);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
try {
if (clientRequest != null) {
                    clientRequest.close();
                }
if (clientRequest != null) {
                    clientResponse.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

单线程服务端

因为Java中的Socket就是BIO的模式，因此我们可以很简单的编写一个BIO单线程服务端。

SocketServer.java

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * BIO服务端
 * <p>
 * 单线程阻塞的服务器端
 *
 * @Author niujinpeng
 * @Date 2018/10/15 11:17
 */
public class SocketServer {

public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(83);
try {
while (true) {
// 阻塞，直到有数据准备完毕
                Socket socket = serverSocket.accept();

// 开始收取信息
                InputStream input = socket.getInputStream();
                OutputStream output = socket.getOutputStream();
                Integer sourcePort = socket.getPort();
int maxLen = 1024 * 2;
byte[] contextBytes = new byte[maxLen];

// 阻塞，直到有数据准备完毕
int realLen = input.read(contextBytes, 0, maxLen);
// 读取信息
                String message = new String(contextBytes, 0, realLen);

// 输出接收信息
                System.out.println("服务器收到来自端口【" + sourcePort + "】的信息：" + message);
// 响应信息
                output.write("Done!".getBytes());

// 关闭
                output.close();
                input.close();
                socket.close();

            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
if (serverSocket != null) {
                serverSocket.close();
            }
        }
    }
}

多线程服务端

单线程服务器，在处理请求时只能同时处理一条，也就是说如果在请求到来时发现有请求尚未处理完毕，只能等待处理，因此使用 多线程改进 服务端。

SocketServerThread.java

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * BIO服务端
 * <p>
 * 多线程的阻塞的服务端
 * <p>
 * 当然，接收到客户端的socket后，业务的处理过程可以交给一个线程来做。
 * 但还是改变不了socket被一个一个的做accept()的情况。
 *
 * @Author niujinpeng
 * @Date 2018/10/15 11:17
 */
public class SocketServerThread implements Runnable {

/**
     * 日志
     */
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SocketServerThread.class);

private Socket socket;

public SocketServerThread(Socket socket) {
this.socket = socket;
    }

public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(83);
try {
while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
//当然业务处理过程可以交给一个线程（这里可以使用线程池）,并且线程的创建是很耗资源的。
//最终改变不了.accept()只能一个一个接受socket的情况,并且被阻塞的情况
                SocketServerThread socketServerThread = new SocketServerThread(socket);
new Thread(socketServerThread).start();
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        } finally {
if (serverSocket != null) {
                serverSocket.close();
            }
        }
    }


@Override
public void run() {
        InputStream in = null;
        OutputStream out = null;
try {
//下面我们收取信息
            in = socket.getInputStream();
            out = socket.getOutputStream();
            Integer sourcePort = socket.getPort();
int maxLen = 1024;
byte[] contextBytes = new byte[maxLen];
//使用线程，同样无法解决read方法的阻塞问题，
//也就是说read方法处同样会被阻塞，直到操作系统有数据准备好
int realLen = in.read(contextBytes, 0, maxLen);
//读取信息
            String message = new String(contextBytes, 0, realLen);

//下面打印信息
            logger.info("服务器收到来自于端口：" + sourcePort + "的信息：" + message);

//下面开始发送信息
            out.write("回发响应信息！".getBytes());
        } catch (Exception e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
        } finally {
//试图关闭
try {
if (in != null) {
                    in.close();
                }
if (out != null) {
                    out.close();
                }
if (this.socket != null) {
this.socket.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                logger.error(e.getMessage(), e);
            }
        }
    }
}

看起来多线程增加了服务能力，但是很明显多线程改进之后仍有以下 局限性 ：

• 接收和通知处理结果的过程依旧是单线程的。

• 系统可以创建的线程数量有限。

  cat /proc/sys/kernel/threads-max 可以查看可以创建的线程数量。

• 如果线程较多，CPU需要更多的时间切换，处理真正业务的时间就会变少。

• 创建线程会消耗较多资源，JVM创建一个线程都会默认分配128KB空间。

• 多线程也无法解决因为 调用底层系统 的 同步I O 而决定的同步IO机制。

同步阻塞模式总结

BIO模式因为进程的阻塞挂起，不会消耗过多的CPU资源，而且开发难度低，比较适合并发量小的网络应用开发。同时很容易发现因为请求IO会阻塞进程，所以不时候并发量大的应用。如果为每一个请求分配一个线程，系统开销就会过大。

同时在Java中，使用了多线程来处理阻塞模式，也无法解决程序在 accept() 和 read() 时候的阻塞问题。因为 accept() 和 read() 的IO模式支持是基于操作系统的，如果操作系统发现没有套接字从指定的端口传送过来，那么 操作系统就会等待 。这样 accept() 和 read() 方法就会一直等待。