这是网络编程中最基础也是最重要的概念之一,理解它对于掌握更高级的 I/O 模型（如 NIO）至关重要。
什么是阻塞模式？
在阻塞模式下,当一个线程调用一个 I/O 操作（如 read() 或 write()）时，该线程会被挂起（阻塞），直到该操作完成。
read()阻塞：当调用InputStream.read()时，线程会一直等待，直到有数据从网络中到达并可以被读取，或者直到连接关闭，如果没有数据可读，线程将永远停留在read()方法上，不继续执行后续代码。write()阻塞：当调用OutputStream.write()时，线程会一直等待，直到数据被成功写入操作系统的内核缓冲区，或者直到网络缓冲区有足够的空间容纳要发送的数据，如果网络缓冲区已满，线程也会被阻塞。
就是线程在等待 I/O 操作完成时，什么也做不了，只能干等着。
阻塞模式的典型工作流程
下面是一个经典的、使用阻塞 Socket 的客户端/服务器模型，这个模型是理解所有网络编程的基础。
1 服务器端代码
服务器会执行以下循环：
- 在一个固定端口上
accept()一个客户端连接。 - 为这个连接创建一个新的线程,专门处理与该客户端的通信。
- 在新线程中,通过循环
read()读取客户端发来的数据。 - 处理数据,并通过
write()将响应写回客户端。 - 当客户端关闭连接时,线程退出。
// BlockingServer.java
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class BlockingServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 创建一个 ServerSocket，绑定到指定端口
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");
// 2. 循环监听，等待客户端连接
while (true) {
// 3. accept() 是阻塞方法，线程会在这里等待，直到有客户端连接进来
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
// 4. 为每个客户端连接创建一个新线程进行处理
// 这样可以同时处理多个客户端，但会消耗大量资源
new Thread(() -> handleClient(clientSocket)).start();
}
}
}
private static void handleClient(Socket clientSocket) {
try (InputStream in = clientSocket.getInputStream();
OutputStream out = clientSocket.getOutputStream()) {
byte[] buffer = new byte[1024];
String response;
// 5. 循环读取客户端数据
// read() 是阻塞方法，线程会在这里等待，直到客户端发送数据
while (true) {
int bytesRead = in.read(buffer); // 阻塞点
if (bytesRead == -1) {
// read() 返回 -1 表示客户端已经关闭了连接
System.out.println("客户端断开连接: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
break;
}
// 将接收到的字节转换为字符串
String receivedData = new String(buffer, 0, bytesRead, StandardCharsets.UTF_8);
System.out.println("收到来自 " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress() + " 的消息: " + receivedData);
// 6. 处理数据并返回响应
response = "服务器已收到你的消息: " + receivedData;
out.write(response.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
out.flush(); // 确保数据被立即发送
}
} catch (IOException e) {
System.err.println("处理客户端时发生错误: " + e.getMessage());
} finally {
try {
// 7. 关闭客户端连接
clientSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
2 客户端代码
客户端的逻辑相对简单：
- 创建一个
Socket连接到服务器的 IP 和端口。 - 获取输入输出流。
- 发送数据（
write()）。 - 等待并接收服务器的响应（
read()）。 - 关闭连接。
// BlockingClient.java
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;
public class BlockingClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 创建一个 Socket 连接到服务器
// 如果服务器未启动，这里会抛出 ConnectException，线程会阻塞直到连接成功
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
InputStream in = socket.getInputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {
System.out.println("已连接到服务器。");
while (true) {
System.out.print("请输入要发送的消息 (输入 'exit' 退出): ");
String message = scanner.nextLine();
if ("exit".equalsIgnoreCase(message)) {
break;
}
// 2. 发送数据到服务器
// write() 可能会阻塞，如果网络缓冲区满了
out.write(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
out.flush();
System.out.println("消息已发送，等待服务器响应...");
// 3. 从服务器读取响应
// read() 是阻塞方法，线程会在这里等待，直到服务器返回数据
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead = in.read(buffer); // 阻塞点
if (bytesRead != -1) {
String response = new String(buffer, 0, bytesRead, StandardCharsets.UTF_8);
System.out.println("服务器响应: " + response);
}
}
}
System.out.println("客户端已关闭。");
}
}
阻塞模式的优缺点
优点
- 编程模型简单：代码逻辑直观，易于理解和实现，对于初学者或简单的应用来说，这是最直接的方式。
- 逻辑清晰：线程的执行流程是线性的，一个操作接着一个操作，不需要处理复杂的回调或状态机。
缺点
- 性能瓶颈：这是阻塞模式最致命的缺点，每个 I/O 操作都会占用一个线程，如果一个服务器需要同时处理成千上万个客户端连接，就需要创建成千上万个线程。
- 资源消耗大：每个线程都需要占用一定的内存（栈空间）和 CPU 时间进行上下文切换，当线程数量巨大时，系统资源会被耗尽，导致服务器性能急剧下降甚至崩溃。
- 扩展性差：由于线程数量的限制，阻塞模式的服务器很难水平扩展，无法应对高并发的场景。
一个形象的比喻：餐厅服务
-
阻塞模式的服务员：
- 一位服务员只服务一张桌子。
- 当客人点菜（
read()）时，这位服务员就站在桌子旁等，什么也不做，直到客人把菜单给他。 - 然后他拿着菜单去厨房（
write()），如果厨房忙不过来（网络缓冲区满），他就站在厨房门口等。 - 这样,餐厅里有多少张桌子，就需要多少个服务员，如果桌子很多（高并发），服务员数量就会爆炸，餐厅成本极高。
-
非阻塞模式（如 NIO）的服务员：
- 一位服务员可以服务多张桌子。
- 他给客人菜单后,不是傻等，而是去问下一桌的客人需要什么。
- 他会记下每桌的状态（等菜单”、“等上菜”）。
- 当厨房做好一道菜（数据到达），他会通知他，这样，一个服务员就能服务整个餐厅，效率极高。
如何选择？
-
使用阻塞模式：
- 学习阶段：用于理解 Socket 编程的基本原理。
- 低并发场景：一个只需要同时服务几十个客户端的内部工具或小型应用。
- 简单应用：对性能要求不高，代码简洁性是首要考虑因素。
-
考虑非阻塞模式（NIO）或框架（Netty）：
- 高并发、高性能服务：如 Web 服务器、聊天室、游戏服务器等需要处理成千上万连接的场景。
- 资源受限环境：需要在有限的硬件资源上实现最大化的吞吐量。
- 现代应用开发：主流的高性能网络框架（如 Netty、Vert.x）都基于 NIO 构建，是构建现代网络服务的标准选择。
| 特性 | 阻塞模式 | 非阻塞模式 |
|---|---|---|
| 核心 | I/O 操作时线程挂起 | I/O 操作立即返回，通过轮询或事件通知 |
| 线程模型 | 一连接一线程 | 一个或少量线程管理所有连接 |
| 编程难度 | 简单，直观 | 复杂，需要理解 Selector、Buffer 等 |
| 性能 | 低，线程消耗大 | 高，资源利用率高 |
| 适用场景 | 简单应用、学习 | 高并发、高性能服务 |
对于 Java 深刻理解阻塞模式是迈向高级网络编程的必经之路，在掌握了其原理和局限性后，你就能更好地理解为什么需要 NIO，以及如何使用 Netty 这样的强大框架来构建高性能的网络应用。
