1.Socket

在了解什么是 bio 編程之前，先了解以下什么是 socket

1.1 socket 概念

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。它是網絡通信過程中端點的抽象表示，包含進行網絡通信必須的五種信息：連接使用的協議，本地主機的IP地址，本地進程的協議端口，遠地主機的IP地址，遠地進程的協議端口。一個Socket是一對IP地址和端口。

Socket可以看成在兩個程序進行通訊連接中的一個端點，一個程序將一段信息寫入Socket中，該Socket將這段信息發送給另外一個Socket中，使這段信息能傳送到其他程序中。你可以這么理解：socket是進程之間用來對話的中間層工具。

1.2 socket 的作用

應用層通過傳輸層進行數據通信時，TCP和UDP會遇到同時為多個應用程序進程提供并發服務的問題。為了區別不同的應用程序進程和連接，許多計算機操作系統為應用程序與TCP／IP協議交互提供了稱為套接字(Socket)的接口，區分不同應用程序進程間的網絡通信和連接。socket（套接字）是對 TCP/IP 或者UDP/IP協議的封裝，Socket本身并不是協議，而是一個調用接口（API），通過Socket，我們才能使用TCP/IP協議。通過這個API程序員在開發網絡應用程序的時候，就可以不用關心底層是怎么實現的，減輕開發的難度。

1.3 socket 的實現方式

1. socket的實現方式

生成套接字，socket是一個中間層工具，它存在于操作系統的內核。電腦上的進程為了真正通過socket來發送／接受數據，socket必須和一個能夠進行數據傳送的接口連接起來，再通過那個接口送出數據。這個接口就是端口，而這個連接的過程就叫做綁定。應用層就可以和傳輸層通過套接字接口(API)，區分來自不同應用程序進程或網絡連接的通信，實現數據傳輸的并發服務。

假設有兩個主機要進行通信 Host A和Host B
Host A上的程序A將一段信息寫入Socket中，Socket的內容被Host A的網絡管理軟件訪問，并將這段信息通過Host A的網絡接口卡發送到Host B，Host B的網絡接口卡接收到這段信息后，傳送給Host B的網絡管理軟件，網絡管理軟件將這段信息保存在Host B的Socket中，然后程序B才能在Socket中閱讀這段信息。

2. Socket連接的實現方式

要通過互聯網進行通信，至少需要一對套接字，一個運行于客戶機端，稱之為ClientSocket，另一個運行于服務器端，稱之為serverSocket。

基于Tcp協議的Socket通訊類似于B/S架構，面向連接，但不同的是服務器端可以向客戶端主動推送消息。

（B/S架構的標準是基于HTTP協議，客戶端發送請求，服務器給出響應的一問一答形式進行通信。這就意味著如果客戶端不主動地向服務器發送消息，服務器就無法主動給客戶端推送消息。當然，現在也有很多方式實現 服務端向客戶端主動推送消息了，比如 WebSocket。TCP 通信中，只要建立連接后,服務端,客戶端已經沒有多大的區別了，所以很容易實現 服務器端向客戶端推送消息）

先從服務器端說起。服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，要連接的目標是服務器端的套接字，為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務器的套接字，指出服務器端套接字的地址和端口號，然后就向服務器端套接字提出連接請求(connect)，當服務器端套接字監聽到或者說接收到客戶端套接字的連接請求，它就響應客戶端套接字的請求，建立一個新的線程，把服務器端套接字的描述發給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，連接就建立好了。而服務器端套接字繼續處于監聽狀態，繼續接收其他客戶端套接字的連接請求。

基于Udp協議是無連接模式通訊，占用資源少，響應速度快，延時低。至于可靠性，可通過應用層的控制來滿足。(不可靠連接)

建立一個套接字(Socket)、綁定服務器端IP地址及端口號–服務器端、通過SendTo()方法向指定主機發送消息(需提供主機IP地址及端口)、通過ReciveFrom()方法接收指定主機發送的消息(需提供主機IP地址及端口)

1.4 Socket與TCP/IP的關系

創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket可以支持不同的傳輸層協議（TCP或UDP），當使用TCP協議進行連接時，該Socket連接就是一個TCP連接。

socket則是對TCP/IP協議的封裝和應用（程序員層面上）。也可以說，TPC/IP協議是傳輸層協議，主要解決數據 如何在網絡中傳輸，而HTTP是應用層協議，主要解決如何包裝數據。關于TCP/IP和HTTP協議的關系，網絡有一段比較容易理解的介紹：

“我們在傳輸數據時，可以只使用（傳輸層）TCP/IP協議，但是那樣的話，如 果沒有應用層，便無法識別數據內容，如果想要使傳輸的數據有意義，則必須使用到應用層協議，應用層協議有很多，比如HTTP、FTP、TELNET等，也 可以自己定義應用層協議。WEB使用HTTP協議作應用層協議，以封裝HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做傳輸層協議將它發到網絡上。”

我們平時說的最多的socket是什么呢，實際上socket是對TCP/IP協議的封裝，Socket本身并不是協議，而是一個調用接口（API），通過Socket，我們才能使用TCP/IP協議。 實際上，Socket跟TCP/IP協議沒有必然的聯系。Socket編程接口在設計的時候，就希望也能適應其他的網絡協議。所以說，Socket的出現 只是使得程序員更方便地使用TCP/IP協議棧而已，是對TCP/IP協議的抽象，從而形成了我們知道的一些最基本的函數接口，比如create、 listen、connect、accept、send、read和write等等。網絡有一段關于socket和TCP/IP協議關系的說法比較容易理解：

TCP/IP只是一個協議棧，就像操作系統的運行機制一樣，必須要具體實現，同時還要提供對外的操作接口。這個就像操作系統會提供標準的編程接口，比如win32編程接口一樣，TCP/IP也要提供可供程序員做網絡開發所用的接口，這就是Socket編程接口。”

實際上，傳輸層的TCP是基于網絡層的IP協議的，而應用層的HTTP協議又是基于傳輸層的TCP協議的，而Socket本身不算是協議，就像上面所說，它只是提供了一個針對TCP或者UDP編程的接口。socket是對端口通信開發的工具,它要更底層一些.

我自己的理解：Socket 針對TCP或者UDP編程的接口，是一種規范，在我們操作系統中，有一個模塊負責管理網絡的，這一個模塊 有建立 連接，發送消息，接受消息等 功能函數，但我們編寫 程序時（應用層），有時候需要用到這個網絡模塊上的功能函數，我們總不能 直接使用 操作系統中的那些功能函數吧？于是 操作系統給我們提高了 Socket 接口，這是一種規范，在我們使用具體的語言來開發應用時，這具體的語言 為了我們 “實現” 了Socket 接口，我們便可以輕易的操作 網絡模塊中的功能。調用具體的語言 api -> 調用 操作系統 中關于 TCP/IP 協議的功能函數 -> 發送連接等

2. 開篇介紹

在 java.net 包是網絡編程的基礎類庫。其中 ServerSocket 和 Socket 是網絡編程的基礎類 型。ServerSocket 是服務端應用類型。Socket 是建立連接的類型。當連接建立成功后，服務 器和客戶端都會有一個 Socket 對象示例，可以通過這個 Socket 對象示例，完成會話的所有 操作。 對于一個完整的網絡連接來說，Socket 是平等的，沒有服務器客戶端分級情況。

什么是同步和異步 ：
同步和異步是針對應用程序和內核的交互而言的，同步指的是用戶進程觸發 IO 操作并 等待或者輪詢的去查看 IO 操作是否就緒，而異步是指用戶進程觸發 IO 操作以后便開始做自 己的事情，而當 IO 操作已經完成的時候會得到 IO 完成的通知。

什么是阻塞和非阻塞 ：
阻塞和非阻塞是針對于進程在訪問數據的時候，根據 IO 操作的就緒狀態來采取的不同 方式，說白了是一種讀取或者寫入操作方法的實現方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數將一 直等待，而非阻塞方式下，讀取或者寫入方法會立即返回一個狀態值。

I/O 模型基本說明

1. I/O 模型簡單的理解：就是用什么樣的通道進行數據的發送和接收，很大程度上決定了程序通信的性能
2. Java共支持3種網絡編程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO
3. Java BIO ： 同步并阻塞(傳統阻塞型)，服務器實現模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時服務器端就需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷
4. Java NIO ： 同步非阻塞，服務器實現模式為一個線程處理多個請求(連接)，即客戶端發送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求就進行處理

5. Java AIO(NIO.2) ： 異步非阻塞，AIO 引入異步通道的概念，采用了 Proactor 模式，簡化了程序編寫，有效的請求才啟動線程，它的特點是先由操作系統完成后才通知服務端程序啟動線程去處理，一般適用于連接數較多且連接時間較長的應用

3.Bio 編程

這篇博客重要介紹 bio 編程

3.1 簡介

Blocking IO： 同步阻塞的編程方式。

BIO 編程方式通常是在 JDK1.4 版本之前常用的編程方式。編程實現過程為：首先在服務 端啟動一個 ServerSocket 來監聽網絡請求，客戶端啟動 Socket 發起網絡請求，默認情況下 ServerSocket 回建立一個線程來處理此請求，如果服務端沒有線程可用，客戶端則會阻塞等 待或遭到拒絕。

且建立好的連接，在通訊過程中，是同步的。在并發處理效率上比較低。大致結構如下：

同步并阻塞，服務器實現模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時服務器端就 需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷，當然可 以通過線程池機制改善

BIO 方式適用于連接數目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，并發局限于應用中，JDK1.4 以前的唯一選擇.
使用線程池機制改善后的 BIO 模型圖如下:

3.2 實例

1. 使用BIO模型編寫一個服務器端，監聽6666端口，當有客戶端連接時，就啟動一個線程與之通訊。
2. 使用線程池機制改善，可以連接多個客戶端.
3. 服務器端可以接收客戶端發送的數據(telnet 方式即可)。

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //線程池機制

        //思路
        //1. 創建一個線程池
        //2. 如果有客戶端連接，就創建一個線程，與之通訊(單獨寫一個方法)

        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        //創建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);

        System.out.println("服務器啟動了");

        while (true) {

            System.out.println("線程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
            //監聽，等待客戶端連接
            System.out.println("等待連接....");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("連接到一個客戶端");

            //就創建一個線程，與之通訊(單獨寫一個方法)
            newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() { //我們重寫
                    //可以和客戶端通訊
                    handler(socket);
                }
            });

        }


    }

    //編寫一個handler方法，和客戶端通訊
    public static void handler(Socket socket) {

        try {
            System.out.println("線程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            //通過socket 獲取輸入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();

            //循環的讀取客戶端發送的數據
            while (true) {

                System.out.println("線程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());

                System.out.println("read....");
               int read =  inputStream.read(bytes);
               if(read != -1) {
                   System.out.println(new String(bytes, 0, read
                   )); //輸出客戶端發送的數據
               } else {
                   break;
               }
            }


        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println("關閉和client的連接");
            try {
                socket.close();
            }catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

客戶端不需要寫，可以使用 Telnet 測試。

telnet 127.0.0.1 6666 
send helloworld!

3.3 BIO 問題分析

1. 每個請求都需要創建獨立的線程，與對應的客戶端進行數據 Read，業務處理，數據 Write 。

2. 當并發數較大時，需要創建大量線程來處理連接，系統資源占用較大。

3. 連接建立后，如果當前線程暫時沒有數據可讀，則線程就阻塞在 Read 操作上，造成線程資源浪費

PS：下一篇將介紹 NIO 編程