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IO多路复用

news 来源：原创 2025/6/28 4:45:49

BIO（同步阻塞）

当客户端请求连接到服务端请求过程中其实是通过socket连接，socket的意思其实就是插座，可以理解成手机需要充电，这里的电要从服务端获取，手机的充电口和服务端的插座都是socket，假如客户端连接到服务端，但服务端从磁盘中查询数据的过程很慢，只要服务端没有查询完，这个客户端就要一直等着，如果有其他的客户端要来连接，也得等服务端把这个客户端的请求执行完了，才能再接受其他的客户端，而这个客户端有一个还好，有一万个怎么办呢？其他客户端只能干等着，这就是传统的BIO模式，也就是同步阻塞。

BIO的代码示例

    public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个 ServerSocket 对象，将其绑定到本地的 8888 端口，用于监听该端口的客户端连接请求ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);// 进入一个无限循环，使服务器可以持续接受客户端的连接请求while (true) {// 调用 ServerSocket 的 accept 方法，该方法会阻塞当前线程，直到有客户端连接到服务器// 一旦有客户端连接，该方法会返回一个 Socket 对象，用于与客户端进行通信Socket socket = serverSocket.accept();// 调用 Socket 对象的 getInputStream 方法，获取与客户端连接的输入流// 该输入流用于读取客户端发送的数据InputStream inputStream = socket.getInputStream();// 创建一个长度为 1024 的字节数组 buffer，用于存储从客户端读取的数据byte[] buffer = new byte[1024];// 定义一个整型变量 len，用于存储每次读取数据的长度int len;// 进入一个循环，不断从输入流中读取数据// inputStream.read(buffer) 会从输入流中读取数据到 buffer 数组中，并返回实际读取的字节数// 将读取的字节数赋值给 len，并判断是否大于 0// 如果大于 0，表示成功读取到数据，继续循环；否则，表示没有更多数据可读，退出循环while ((len = inputStream.read(buffer)) > 0) {// 将 buffer 数组中从索引 0 开始，长度为 len 的字节数据转换为字符串// 并将转换后的字符串打印到控制台，同时在前面加上提示信息“输入是：”System.out.println("输入是：" + new String(buffer, 0, len));}}}

BIO代码中如果获取流和读取流执行很慢的话，整个期间服务端是没有办法处理其他客户端请求。

NIO（同步非阻塞）

可以一个线程处理多个Socket连接。具体分为以下几个步骤

当客户端连接服务端时会存在一个通道，这个通道就叫SocketChannel，服务端会有一个轮询器，（下文把客户端的SocketChannel简称为channel），channel会被注册到这个轮询器上，如果有其他的的客户端来连接的话，也会把相应的channle注册到轮询器上。

这个轮询器会有一个线程，里面一直不断的轮询，不断地查询这些通道的状态，看看有没有可连接的状态，不断地循环查找，当找到一个是连接状态的了，就把这个是连接状态的通道拿出来，改成监听是否可读状态，再注册到轮询器上，注册后继续轮询找，当找到一个是可读状态的channel那么就可以直接读取数据了，这样其他的客户端就不需要像BIO那样，需要等之前的客户端请求完全执行完了才能轮到自己，只要哪个客户端的事件状态有变化了，就会被循环查找到执行对应的操作了。

但是在这个不断查找通道的循环中，这些通道的状态都是在Kernel内核中，也就是说循环中的每一次查找都要从用户空间切换到内核空间，然后才能查找到状态，这样效率非常低。所以就要把查询状态的这些通道的fd文件描述符传给内核，这时遍历的行为就变成内核自己来做了，循环查找这些通道的状态，然后把这些状态结果从内核空间切换到用户空间，然后再返回给轮询器。整个过程中，只有传入时用户空间切换到内核空间，以及返回时从内核空间切换到用户空间这个过程了。

而这一次调用可以查询到多个路通道的状态，也就是说这些路通道被一次调用给复用了，这就是多路复用

轮询器

select和poll是轮询器的两种实现，select在把fd文件描述符传递给内核时，数量是有限制的，也就是不能一次把所有的都传递到内核中去遍历，而poll没有数量限制，可以一次性都传递。现在确实让内核来遍历这些通道的状态了。

但是内核还是得遍历嘛效率还是不够高，我们思考是否可以把循环去掉，等哪个通道可以连接了、可读了就直接能找到呢？这就是epoll。

epoll

epoll一开始是创建好ServerSocket，然后绑定好端口号进行监听，这三个行为select和poll都有。下面就是epoll特有的行为了，首先是先调用内核的epoll_create调用后会在内核开启两个空间，一个是红黑树，另一个是双向链表，接着再调用内核的epoll_ctl，会将要监听的fd文件描述符放到红黑树空间里，并标注要监听的是可连接事件，然后再调用内核的epoll_wait，他就会遍历这个双向链表来拿东西，拿的就是已经是可连接状态的fd。

但是双向了链表是什么时候有东西的呢？这里涉及到另一个技术“中断”，比如当网卡接收到数据时，内核就会检测到网络套接字的状态变化，此时网络设备驱动程序会通过内核将数据放入到对应的fd中的接收缓冲区，并修改相应的文件描述符状态，接着内核就会检查红黑树中注册的文件描述符，发现对应的fd现在是可连接的。

接着内核会将该fd给插入到双向列表中，表示这个文件描述符已经准备好被处理了。这样调用epoll_wait时就能从双向链表中拿到了，此时就不需要在内核中遍历了，效率大大提高。

NIO代码示例

public static void main(String[] args) throws IOException {// 打开一个 Selector，用于监控多个通道上的 I/O 事件Selector selector = Selector.open();// 打开一个 ServerSocketChannel，用于接收客户端连接ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();// 将 ServerSocketChannel 绑定到本机 localhost 的 8080 端口serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));// 设置 ServerSocketChannel 为非阻塞模式serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector，并关注 ACCEPT（接收连接）事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 无限循环，等待 I/O 事件的发生while (true) {// 阻塞等待至少一个注册事件发生selector.select();// 获取所有触发的事件集合Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();// 遍历所有事件while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();// 处理完一个事件后，从集合中移除，防止重复处理iterator.remove();// 如果该事件是连接接收事件if (key.isAcceptable()) {// 接收客户端连接，返回一个 SocketChannelSocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();// 设置接收到的 SocketChannel 为非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);// 将该 SocketChannel 注册到 Selector，并关注 READ（读取数据）事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) { // 如果该事件是数据可读事件// 获取触发该事件的 SocketChannelSocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();// 创建一个 ByteBuffer 用于存放读取的数据ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 从 SocketChannel 中读取数据到 ByteBuffer 中socketChannel.read(buffer);// 输出读取到的数据System.out.println("数据：" + new String(buffer.array()));// 关闭该 SocketChannelsocketChannel.close();}}}
}

AIO

当在NIO中获取到可读的事件或者可写的事件后，依然还是要靠程序自己来执行后续的操作，这个还要靠程序自己来去执行后续的操作的。这个还要靠自己去主动做的特点就是同步的意思。

那么如果是在AIO的情况下，获取到可读或可写的事件后，内核主动去做，不需要程序主动了，这就是异步

BIO（同步阻塞）

BIO的代码示例

NIO（同步非阻塞）

轮询器

epoll

NIO代码示例

AIO

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