JAVA NIO（四）阻塞式IO與非阻塞式IO

原創 Dason_yu 2018-08-26 08:13

1.阻塞與非阻塞

IO模型：

由於進程是不可直接訪問外部設備的，所以只能調用內核去調用外部的設備(上下文切換)，然後外部設備比如磁盤，讀出存儲在設備自身的數據傳送給內核緩衝區，內核緩衝區在copy數據到用戶進程的緩衝區。包含兩個步驟：一將數據讀到內核，二將數據從內核copy用戶地址空間（即應用程序）。

① 阻塞與非阻塞：是針對於網絡通訊而言。應用程序在獲取網絡數據的時候，根據IO操作的就緒狀態來採取的不同方式。說白了是一種讀取或者寫入操作函數的實現方式。（即在服務端accept()時，若數據沒有準備就緒，則程序被阻塞）
（運行一個應用程序，就啓動了一個用戶進程，操作系統的核心是內核進程）
阻塞：應用程序在獲取網絡數據的時候，如果網絡傳輸數據很慢，那麼程序就一直等着，知道傳輸完畢爲止。
非阻塞：應用程序直接獲取數據無需等待。讀取或者寫入函數會立即返回一個狀態值。

阻塞IO模型：

在等待數據時，進程被掛起（就像線程中的wait()）,知道數據就緒。


非阻塞IO模型

非阻塞是指在內核請求IO設備響應指令發出後，數據就開始準備，在此期間用戶進程沒有阻塞，也就是沒有掛起，它一直在詢問或者check數據有沒有傳送到kernel buffer（內核）中，忙等…。但是第二個階段（數據從kernel buffer複製到用戶進程空間）依然是阻塞的。但這種IO模型會大量的佔用CPU的時間，效率很低效，很少使用。


IO多路複用

在內核請求IO設備響應指令發出後，數據就開始準備，在此期間用戶進程是阻塞的。數據從kernel buffer複製到用戶進程的過程也是阻塞的。但是和阻塞I/O所不同的是，它可以同時阻塞多個I/O操作，而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正調用I/O操作函數，也就是說一個線程可以響應多個請求。（在IO multiplexing Model中，實際中，對於每一個socket，一般都設置成爲non-blocking，但是，如下圖所示，整個用戶的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函數block，而不是被socket IO給block）
弊端：
select 如果任何一個sock(I/O stream)出現了數據，select 僅僅會返回，但是並不會告訴你是那個sock上有數據，於是你只能自己一個一個的找，10幾個sock可能還好，要是幾萬的sock每次都找一遍，這個無謂的開銷就頗有海天盛筵的豪氣了。



② 選擇器

選擇器（Selector） 是 SelectableChannel 對象的多路複用器，Selector 可以同時監控多個 SelectableChannel 的 IO 狀況，也就是說，利用 Selector 可使一個單獨的線程管理多個 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。

（舉慄：比如說數據就緒，當有數據就緒服務端纔會進行accept()；如圖所示）



當調用 register(Selector sel, int ops) 將通道註冊選擇器時，選擇器對通道的監聽事件，需要通過第二個參數 ops 指定。
可以監聽的事件類型（可使用 SelectionKey 的四個常量表示）：
 讀 : SelectionKey.OP_READ （1）
 寫 : SelectionKey.OP_WRITE （4）
 連接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）
 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）
 若註冊時不止監聽一個事件，則可以使用“位或”操作符連接。

ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT | SelectionKey.OP_CONNECT);
常用方法

③ SelectionKey
表示 SelectableChannel 和 Selector 之間的註冊關係。每次向選擇器註冊通道時就會選擇一個事件(選擇鍵)。選擇鍵包含兩個表示爲整數值的操作集。操作集的每一位都表示該鍵的通道所支持的一類可選擇操作。
常用方法

2.阻塞IO

package com.dason.nio2;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;

import org.junit.Test;

/*
 * 一、使用 NIO 完成網絡通信的三個核心：
 * 
 * 1. 通道（Channel）：負責連接
 * 		
 * 	   java.nio.channels.Channel 接口：
 * 			|--SelectableChannel
 * 				|--SocketChannel
 * 				|--ServerSocketChannel
 * 				|--DatagramChannel
 * 
 * 				|--Pipe.SinkChannel
 * 				|--Pipe.SourceChannel
 * 
 * 2. 緩衝區（Buffer）：負責數據的存取
 * 
 * 3. 選擇器（Selector）：是 SelectableChannel 的多路複用器。用於監控 SelectableChannel 的 IO 狀況
 * 
 */
public class TestBlockingNIO {

	//客戶端
	@Test
	public void client() throws IOException{
		//1. 獲取通道
		SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
		
		FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("1.jpg"), StandardOpenOption.READ);
		
		//2. 分配指定大小的緩衝區
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		//3. 讀取本地文件，併發送到服務端
		while(inChannel.read(buf) != -1){
			buf.flip();
			sChannel.write(buf);
			buf.clear();
		}
		
		//4. 關閉通道
		inChannel.close();
		sChannel.close();
	}
	
	//服務端
	@Test
	public void server() throws IOException{
		//1. 獲取通道
		ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
		
		FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.jpg"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
		
		//2. 綁定連接
		ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
		
		//3. 獲取客戶端連接的通道
		SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
		
		//4. 分配指定大小的緩衝區
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		//5. 接收客戶端的數據，並保存到本地
		while(sChannel.read(buf) != -1){
			buf.flip();
			outChannel.write(buf);
			buf.clear();
		}
		
		//6. 關閉通道
		sChannel.close();
		outChannel.close();
		ssChannel.close();
		
	}
	
}

3.非阻塞IO

package com.dason.nio2;

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.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;

import org.junit.Test;

/*
 * 一、使用 NIO 完成網絡通信的三個核心：
 * 
 * 1. 通道（Channel）：負責連接
 * 		
 * 	   java.nio.channels.Channel 接口：
 * 			|--SelectableChannel
 * 				|--SocketChannel
 * 				|--ServerSocketChannel
 * 				|--DatagramChannel
 * 
 * 				|--Pipe.SinkChannel
 * 				|--Pipe.SourceChannel
 * 
 * 2. 緩衝區（Buffer）：負責數據的存取
 * 
 * 3. 選擇器（Selector）：是 SelectableChannel 的多路複用器。用於監控 SelectableChannel 的 IO 狀況
 * 
 */
public class TestNonBlockingNIO {
	
	//客戶端
	@Test
	public void client() throws IOException{
		//1. 獲取通道
		SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
		
		//2. 切換非阻塞模式
		sChannel.configureBlocking(false);
		
		//3. 分配指定大小的緩衝區
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		//4. 發送數據給服務端
		Scanner scan = new Scanner(System.in);
		
		while(scan.hasNext()){
			String str = scan.next();
			buf.put((new Date().toString() + "\n" + str).getBytes());
			buf.flip();
			sChannel.write(buf);
			buf.clear();
		}
		
		//5. 關閉通道
		sChannel.close();
	}

	//服務端
	@Test
	public void server() throws IOException{
		//1. 獲取通道
		ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
		
		//2. 切換非阻塞模式
		ssChannel.configureBlocking(false);
		
		//3. 綁定連接
		ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
		
		//4. 獲取選擇器
		Selector selector = Selector.open();
		
		//5. 將通道註冊到選擇器上, 並且指定“監聽接收事件”
		ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		
		//6. 輪詢式的獲取選擇器上已經“準備就緒”的事件
		while(selector.select() > 0){
			
			//7. 獲取當前選擇器中所有註冊的“選擇鍵(已就緒的監聽事件)”
			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
			
			while(it.hasNext()){
				//8. 獲取準備“就緒”的是事件
				SelectionKey sk = it.next();
				
				//9. 判斷具體是什麼事件準備就緒
				if(sk.isAcceptable()){
					//10. 若“接收就緒”，獲取客戶端連接
					SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
					
					//11. 切換非阻塞模式
					sChannel.configureBlocking(false);
					
					//12. 將該通道註冊到選擇器上
					sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
				}else if(sk.isReadable()){
					//13. 獲取當前選擇器上“讀就緒”狀態的通道
					SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel();
					
					//14. 讀取數據
					ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
					
					int len = 0;
					while((len = sChannel.read(buf)) > 0 ){
						buf.flip();
						System.out.println(new String(buf.array(), 0, len));
						buf.clear();
					}
				}
				
				//15. 取消選擇鍵 SelectionKey
				it.remove();
			}
		}
	}
}

package com.dason.nio2;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;

import org.junit.Test;

public class TestNonBlockingNIO2 {
	
	@Test
	public void send() throws IOException{
		DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
		
		dc.configureBlocking(false);
		
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		Scanner scan = new Scanner(System.in);
		
		while(scan.hasNext()){
			String str = scan.next();
			buf.put((new Date().toString() + ":\n" + str).getBytes());
			buf.flip();
			dc.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
			buf.clear();
		}
		
		dc.close();
	}
	
	@Test
	public void receive() throws IOException{
		DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
		
		dc.configureBlocking(false);
		
		dc.bind(new InetSocketAddress(9898));
		
		Selector selector = Selector.open();
		
		dc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		
		while(selector.select() > 0){
			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
			
			while(it.hasNext()){
				SelectionKey sk = it.next();
				
				if(sk.isReadable()){
					ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
					
					dc.receive(buf);
					buf.flip();
					System.out.println(new String(buf.array(), 0, buf.limit()));
					buf.clear();
				}
			}
			
			it.remove();
		}
	}

}


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