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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。

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;/** * 
 * 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();        }    }}/** * 
 * 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 * 
 * 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 * 
 * 多线程的阻塞的服务端 * 
 * 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IO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。

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