BIO

BIO英文全名是 blocking IO,也叫做 阻塞IO,是最容易理解、最容易實現的IO工作方式。

1.1、什么是阻塞IO(BIO)

當我們在談論阻塞IO（Blocking IO）時，我們指的是一種輸入輸出方式，其中線程正在進行IO操作時會被阻塞（即暫停運行），直到IO 操作完成。這種阻塞是同步的，也就是說線程會等待IO操作完成后再繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的任務。

在阻塞IO中，當一個線程調用IO操作（如讀取或寫入數據）時，如果沒有數據可用或無法立即完成IO操作，線程會被掛起，直到滿足操作條件。這種掛起意味著線程無法執(zhí)行其他任務，因為它一直等待IO操作完成。

舉個例子說明，假設一個線程負責從網絡套接字讀取數據，Socket就是網絡套接字。當線程調用讀取數據的方法時，如果沒有數據可用，線程將被阻塞，直到有數據可讀為止。在此期間，線程無法執(zhí)行其他任務，他會一直等待直到數據到達或IO操作超時。

阻塞IO的特點是簡單易懂，但也存在一些問題。其他一個問題是當有多個IO操作需要處理時，每個操作都會阻塞對應的線程，導致線程的浪費。在高并發(fā)或大規(guī)模的應用程序中，這可能會導致性能的下降，因為線程的創(chuàng)建和上下文切換會帶來額外的開銷。

為了解決阻塞IO的性能問題，Java引入了非阻塞IO（Non-blocking IO）模型，例如NIO（New IO）和NIO.2。這些模型使用了事件驅動的方式，通過單個線程處理多個IO操作。當一個IO操作無法立即完成時，線程不會被阻塞，而是繼續(xù)執(zhí)行其他任務，等待IO操作完成后再處理。這種方式能更有效地利用系統(tǒng)資源，并提高并發(fā)處理能力。

綜上所述，阻塞IO是一種簡單易懂的IO操作方式，但在高并發(fā)或大規(guī)模應用程序中可能存在性能問題。了解阻塞IO的概念可以幫助我們理解其他IO模型的工作原理和優(yōu)勢。

1.2、BIO工作原理

當一個客戶端請求到達服務器時，服務器會為該請求創(chuàng)建一個新的線程。這個線程將負責處理該請求的所有IO操作，包括讀取請求數據、處理請求、發(fā)送響應等。這種一對一的線程模型在簡單的應用場景下可能是可行的，但當并發(fā)請求增加時，線程的數量也會相應增加。

大量線程的創(chuàng)建和管理開銷較大，會消耗大量的系統(tǒng)資源，包括內存和CPU。每個線程都需要占用一定的內存空間，并且線程之間的切換也需要消耗CPU資源。如果并發(fā)請求非常高，線程的數量可能會過多，導致系統(tǒng)資源不足，甚至引發(fā)性能下降、系統(tǒng)崩潰等問題。

BIO的優(yōu)點是通俗易懂，適用于一些處理少量應發(fā)請求的簡單服務器，比如：單線程服務器、簡單的客戶端-服務器通信等。對于高并發(fā)、大規(guī)模的網絡應該程序，BIO模型可能無法滿足要求，這會使得線程創(chuàng)建和管理開銷太大。

1.3、BIO服務器

當談到編寫一個BIO(Blocking I/O)程序時，我們可以創(chuàng)建一個簡單的服務器，它能夠接受客戶端連接請求并處理這些請求。下面是一個使用java socket編寫的BIO服務器簡單示例：

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class BioServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080; // 服務器監(jiān)聽的端口號
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
            System.out.println("服務器啟動，監(jiān)聽端口：" + port);
            while (true) {
                // 等待客戶端連接
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("客戶端連接成功，地址：" + socket.getInetAddress() + ":" + socket.getPort());
                // 創(chuàng)建線程處理客戶端請求
                new Thread(() -> {
                    try {
                        // 獲取輸入流和輸出流
                        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
                        // 讀取客戶端發(fā)送的數據
                        String request = reader.readLine();
                        System.out.println("接收到客戶端數據：" + request);
                        // 處理請求并返回響應
                        String response = "Hello, client!";
                        writer.println(response);
                        writer.flush();
                        System.out.println("發(fā)送響應給客戶端：" + response);
                        // 關閉連接
                        socket.close();
                        System.out.println("客戶端連接關閉");
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

這個示例程序創(chuàng)建了一個ServerSocket來監(jiān)聽指定端口（這里使用8080）。在主循環(huán)中，通過調用accept()方法等待客戶端的連接請求，沒有連接的時候，程序會一直阻塞在這里，直到收到客戶端連接請求。一旦客戶端連接成功，程序會創(chuàng)建一個新的線程來處理該客戶端的請求。

在處理線程中，我們獲取與客戶端連接的輸入流和輸出流，使用BufferedReader來讀取客戶端發(fā)送的數據，并使用PrintWriter來進行客戶端發(fā)送響應。這里處理邏輯非常簡單，及僅僅返回一個固定的字符作為響應。

當請求處理結束后，關閉與客戶端的連接，并繼續(xù)等待下一個客戶端的連接。

需要注意，這個示例程序是單線程的。當有新的客戶端連接時，都會創(chuàng)建一個新的線程來處理請求。這種方式僅適用于簡單的應用場景，在高并發(fā)下，會創(chuàng)建大量的線程，導致性能下降。

1.4、BIO客戶端

如果想發(fā)送消息到上面的BIO服務器，我們可以使用一個簡單的Socket客戶端來連接服務器并發(fā)送請求。以下是一個示例代碼：

import java.io.*;
import java.net.Socket;
public class BioClient {
    public static void main(String[] args) {
        String serverAddress = "localhost"; // 服務器地址
        int serverPort = 8080; // 服務器端口號
        try {
            // 連接服務器
            Socket socket = new Socket(serverAddress, serverPort);
            System.out.println("連接服務器成功");
            // 獲取輸入流和輸出流
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            // 發(fā)送請求
            String request = "Hello, server!";
            writer.println(request);
            writer.flush();
            System.out.println("發(fā)送請求給服務器：" + request);
            // 接收響應
            String response = reader.readLine();
            System.out.println("接收到服務器響應：" + response);
            // 關閉連接
            socket.close();
            System.out.println("連接關閉");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

在這個示例程序中，BIO客戶端與服務器的通信過程如下：

• 創(chuàng)建一個Socket對象，指定服務器地址和端口號。
• 通過調用Socket對象的getInputStream()方法和getOutputStream()方法，分別獲取與服務器連接的輸入流和輸出流。輸入流用于接收服務器的響應，輸出流用于向服務器發(fā)送請求。
• 構造一個請求消息，例如Hello, server!。
• 使用輸出流的println()方法將請求消息發(fā)送給服務器，并調用flush()方法確保消息被立即發(fā)送到服務器。
• 使用輸入流的readLine()方法來讀取服務器發(fā)送的響應消息。
• 打印接收到的服務器響應消息。
• 關閉與服務器的連接，調用Socket對象的close()方法。

你可以在該示例程序中修改請求消息和服務器地址、端口號，以適應你的實際情況。

運行實例

先啟動服務器，進行端口監(jiān)聽，再啟動客戶端，連接到指定服務器地址的端口

#BioServer輸出臺顯示

服務器啟動，監(jiān)聽端口：8080
客戶端連接成功，地址：/127.0.0.1:60038
接收到客戶端數據：Hello, server!
發(fā)送響應給客戶端：Hello, client!
客戶端連接關閉

#BioClient輸出臺顯示

連接服務器成功
發(fā)送請求給服務器：Hello, server!
接收到服務器響應：Hello, client!
連接關閉

結尾

盡管阻塞IO模型簡單易懂，但在高并發(fā)或大規(guī)模的網絡應用程序中，使用該模型可能會遇到線程創(chuàng)建和管理開銷過大的問題。因此，在需要高并發(fā)處理的場景下，阻塞IO模型并不是最理想的選擇。

為了解決這個問題，可以考慮使用其他IO模型，如非阻塞IO（NIO）或基于NIO的框架（如Netty）。

非阻塞IO模型通過使用非阻塞的IO操作和事件輪詢機制，允許程序在等待IO操作完成的同時繼續(xù)執(zhí)行其他任務，從而提高了系統(tǒng)的并發(fā)能力。而基于NIO的框架則提供了更高級別的抽象和更靈活的IO操作方式，例如使用選擇器（Selector）來管理多個IO通道，實現單線程處理多個IO連接。

這些模型可以使用較少的線程處理多個請求，并且能更好地利用系統(tǒng)資源，提高并發(fā)處理能力。

非阻塞IO和基于NIO的框架具有以下優(yōu)勢：

• 更高的并發(fā)性能：不像阻塞IO模型那樣頻繁地創(chuàng)建和管理線程，，非阻塞IO和基于NIO的框架能夠通過一個線程處理多個IO連接，減少了線程創(chuàng)建和管理的開銷，從而提高了系統(tǒng)的并發(fā)性能。
• 更靈活的IO操作方式：非阻塞IO和基于NIO的框架提供了更靈活的IO操作方式，例如事件驅動的編程模型和選擇器機制，使得程序能夠更高效地管理和處理多個IO連接。
• 資源利用率更高：更加節(jié)約資源，由于非阻塞IO和基于NIO的框架使用了較少的線程，可以更有效地利用系統(tǒng)資源，避免了線程創(chuàng)建和上下文切換的開銷。

在選擇適合的IO模型時，需要根據具體的應用場景和性能需求來權衡各種模型的優(yōu)劣。阻塞IO模型適用于簡單的、低并發(fā)的應用場景，而非阻塞IO和基于NIO的框架則更適合需要處理大量并發(fā)連接的高性能應用。

到此這篇關于一文帶你搞懂什么是BIO的文章就介紹到這了,更多相關Java BIO內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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