Java NIO原理圖文分析及代碼實現

jopen 11年前發布 | 93K 次閱讀 Java NIO Java開發

Java IO

在Client/Server模型中，Server往往需要同時處理大量來自Client的訪問請求，因此Server端需采用支持高并發訪問的架構。一種簡單而又直接的解決方案是“one-thread-per-connection”。這是一種基于阻塞式I/O的多線程模型。在該模型中，Server為每個Client連接創建一個處理線程，每個處理線程阻塞式等待可能達到的數據，一旦數據到達，則立即處理請求、返回處理結果并再次進入等待狀態。由于每個Client連接有一個單獨的處理線程為其服務，因此可保證良好的響應時間。但當系統負載增大（并發請求增多）時，Server端需要的線程數會增加，這將成為系統擴展的瓶頸所在。(Java IO與NIO的區別)
<IMG style="DISPLAY: block; MARGIN-LEFT: auto; MARGIN-RIGHT: auto" title=舊I/O模型，多個線程阻塞等待客戶端請求 alt=舊I/O模型，多個線程阻塞等待客戶端請求 src="http://www.flyoung.me/assets/images/javaio.jpg">

Java NIO

Java NIO不但引入了全新的高效的I/O機制，同時引入了基于Reactor設計模式的多路復用異步模式。NIO包中主要包含以下幾種抽象數據類型。
* Channel(通道)：NIO把它支持的I/O對象抽象為Channel。它模擬了通信連接，類似于原I/O中的流（Stream），用戶可以通過它讀取和寫入數據。目前已知的實例類有SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel、 FileChannel等。
* Buffer(緩沖區)：Buffer是一塊連續的內存區域，一般作為Channel收發數據的載體出現。所有數據都通過Buffer對象來處理。
* Selector(選擇器)：Selector類提供了監控一個和多個通道當前狀態的機制。只要Channel向Selector注冊了某種特定的事件，Selector就會監聽這些事件是否會發生，一旦發生某個事件，便會通知對應的Channel。使用選擇器，借助單一線程，就可對數量龐大的活動 I/O通道實施監控和維護。
<IMG style="DISPLAY: block; MARGIN-LEFT: auto; MARGIN-RIGHT: auto" title=新I/O模型，單個線程阻塞等待客戶端請求 alt=新I/O模型，單個線程阻塞等待客戶端請求 src="http://www.flyoung.me/assets/images/javanio.jpg">

Java NIO的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的IO事件，這種通信模型是怎么實現的呢？Java NIO采用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

事件名對應值
服務端接收客戶端連接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件 SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)

服務端和客戶端各自維護一個管理通道的對象，我們稱之為selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端為例，如果服務端的selector上注冊了讀事件，某時刻客戶端給服務端發送了一些數據，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取數據，而NIO的服務端會在selector中添加一個讀事件。服務端的處理線程會輪詢地訪問selector，如果訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，如果沒有感興趣的事件到達，則處理線程會一直阻塞直到感興趣的事件到達為止。下面是Java NIO的通信模型示意圖：
Java NIO原理圖文分析及代碼實現

從下圖中可以看出，當有讀或寫等任何注冊的事件發生時，可以從Selector中獲得相應的SelectionKey，同時從 SelectionKey中可以找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發送過來的數據。使用NIO中非阻塞I/O編寫服務器處理程序，大體上可以分為下面三個步驟：
1. 向Selector對象注冊感興趣的事件
2. 從Selector中獲取感興趣的事件
3. 根據不同的事件進行相應的處理
Java NIO原理圖文分析及代碼實現

參考

Java NIO原理圖文分析及代碼實現
 Java NIO系列教程（十二）Java NIO與IO

Java NIO原理圖文分析及代碼實現
前言:

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠程過程調用協議，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。可以參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理（動態代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實現。

這篇博客我主要從兩個方向來分析java NIO

目錄：
一．java NIO 和阻塞I/O的區別
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

具體分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的區別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現在你對阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到數據到來時（或超時）才會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端連接才會返回，每個客戶端連接過來后，服務端都會啟動一個線程去處理該客戶端的請求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

如果你細細分析，一定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通信模型，我總結了它的兩點缺點：
1. 當客戶端多時，會創建大量的處理線程。且每個線程都要占用棧空間和一些CPU時間

2. 阻塞可能帶來頻繁的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2. java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4開始使用的，它既可以說成“新I/O”，也可以說成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

1. 由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發。
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。
3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的線程切換。

閱讀過一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

（注：每個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。）

Java NIO的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實現的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

事件名	對應值
服務端接收客戶端連接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件	SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和客戶端的簡單代碼實現。

服務端：

package cn.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
 * NIO服務端
 * @author 小路
 */
public class NIOServer {
 //通道管理器
 private Selector selector;

 /**
  * 獲得一個ServerSocket通道，并對該通道做一些初始化的工作
  * @param port  綁定的端口號
  * @throws IOException
  */
 public void initServer(int port) throws IOException {
  // 獲得一個ServerSocket通道
  ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
  // 設置通道為非阻塞
  serverChannel.configureBlocking(false);
  // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口
  serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
  // 獲得一個通道管理器
  this.selector = Selector.open();
  //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊該事件后，
  //當該事件到達時，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。
  serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 }

 /**
  * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理
  * @throws IOException
  */
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public void listen() throws IOException {
  System.out.println("服務端啟動成功！");
  // 輪詢訪問selector
  while (true) {
   //當注冊的事件到達時，方法返回；否則,該方法會一直阻塞
   selector.select();
   // 獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為注冊的事件
   Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
   while (ite.hasNext()) {
    SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
    // 刪除已選的key,以防重復處理
    ite.remove();
    // 客戶端請求連接事件
    if (key.isAcceptable()) {
     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
       .channel();
     // 獲得和客戶端連接的通道
     SocketChannel channel = server.accept();
     // 設置成非阻塞
     channel.configureBlocking(false);

     //在這里可以給客戶端發送信息哦
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發送了一條信息").getBytes()));
     //在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設置讀的權限。
     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

     // 獲得了可讀的事件
    } else if (key.isReadable()) {
      read(key);
    }

   }

  }
 }
 /**
  * 處理讀取客戶端發來的信息 的事件
  * @param key
  * @throws IOException 
  */
 public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  // 服務器可讀取消息:得到事件發生的Socket通道
  SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  // 創建讀取的緩沖區
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
  channel.read(buffer);
  byte[] data = buffer.array();
  String msg = new String(data).trim();
  System.out.println("服務端收到信息："+msg);
  ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端
 }

 /**
  * 啟動服務端測試
  * @throws IOException 
  */
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  NIOServer server = new NIOServer();
  server.initServer(8000);
  server.listen();
 }

}

客戶端：

package cn.nio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; /** * NIO客戶端 * @author 小路 */ public class NIOClient { //通道管理器 private Selector selector; /** * 獲得一個Socket通道，并對該通道做一些初始化的工作 * @param ip 連接的服務器的ip * @param port 連接的服務器的端口號 * @throws IOException */ public void initClient(String ip,int port) throws IOException { // 獲得一個Socket通道 SocketChannel channel = SocketChannel.open(); // 設置通道為非阻塞 channel.configureBlocking(false); // 獲得一個通道管理器 this.selector = Selector.open(); // 客戶端連接服務器,其實方法執行并沒有實現連接，需要在listen（）方法中調 //用channel.finishConnect();才能完成連接 channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port)); //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。 channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); } /** * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理 * @throws IOException */ @SuppressWarnings("unchecked") public void listen() throws IOException { // 輪詢訪問selector while (true) { selector.select(); // 獲得selector中選中的項的迭代器 Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); while (ite.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); // 刪除已選的key,以防重復處理 ite.remove(); // 連接事件發生 if (key.isConnectable()) { SocketChannel channel = (SocketChannel) key .channel(); // 如果正在連接，則完成連接 if(channel.isConnectionPending()){ channel.finishConnect(); } // 設置成非阻塞 channel.configureBlocking(false); //在這里可以給服務端發送信息哦 channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發送了一條信息").getBytes())); //在和服務端連接成功之后，為了可以接收到服務端的信息，需要給通道設置讀的權限。 channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); // 獲得了可讀的事件 } else if (key.isReadable()) { read(key); } } } } /** * 處理讀取服務端發來的信息的事件 * @param key * @throws IOException */ public void read(SelectionKey key) throws IOException{ //和服務端的read方法一樣 } /** * 啟動客戶端測試 * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { NIOClient client = new NIOClient(); client.initClient("localhost",8000); client.listen(); } }

小結：

終于把動態代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC機制源碼了，博客地址：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898 。不過如果對java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。

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