NIO原理剖析與Netty初步----淺談高性能服務器開發（一）

在博主不長的工作經歷中，NIO用的並不多，由於使用原生的Java NIO編程的複雜性，大多數時候我們會選擇Netty，mina等開源框架，但理解NIO的原理就不重要了嗎？恰恰相反，理解NIO底層機制是理解這一切的基礎，由此我總結一下當初學習NIO時的筆記，以便後續複習。

     以下是我理解的Java原生NIO開發大致流程:

    

       上圖大致描述的是服務端的NIO操作。

第一步，綁定一個服務的端口

       這與傳統阻塞IO中的ServerSocket類似，沒什麼好說的

第二步，打開通道管理器Selector並在Selector上註冊一個事件

      當註冊的事件發生時，Selector.select()會返回，否則一直阻塞。這一步很有意思，也是NIO第一個與傳統IO不同的地方，NIO通過一個Selector線程可以管理大量客戶端連接，反之傳統IO一個客戶端連接進來必須創建一個新的線程爲它服務(當然你可以使用連接池)，我們知道線程對服務端來說是十分寶貴的資源，一個服務端進程所包含的線程是有   限的；此外，每個線程會佔用一定的內存空間，過多的線程可能導致內存溢出，這種情況下你可能會到想對虛擬機進行調優，比如通過修改參數-Xss限制單個線程大小，但這又可   能導致StackOverFlow；另外，線程調度需要切換上下文，對於操作系統，它需要通過TCB(線程控制塊)來對線程進行調度，過多的上下文切換浪費了CPU時間，降低了系統效     率。

第三步，輪循訪問Selector，當註冊的事件到達時，方法返回

   下面的代碼可以看到，方法整體是一個死循環，輪詢訪問Selector，發生某些已經註冊在Selector上的事件時，該方法返回。可以通過selector.selectedKeys獲取發生的事件，

該方法返回的是一個泛型集合Set<SelectionKey>，遍歷這個集合與遍歷普通集合沒有什麼不同，這裏我們通過迭代器迭代的原因是我們需要刪除已經處理的Key，避免重複處理：

 

public void listen() throws IOException {// 輪詢訪問selector
        while (true) {
            // 當註冊的事件到達時，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，選中的項爲註冊的事件
            Iterator<?> ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                //刪除已選的key,以防重複處理
                ite.remove();
　　　　　　　　　//這裏可以寫我們自己的處理邏輯
                handle(key);
            }
        }
}

   在第二步時，已經在Selector上註冊了Accept事件，當這裏的selector.select()返回時，代表客戶端已經可以連接了，在handle方法裏可以處理這個事件：

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    // 客戶端請求連接事件
    if (key.isAcceptable()){
      //從Key裏可以很方便的取到註冊這個事件的Channel

        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);

        logger.info("客戶端已經連接！");

        //客戶端連接在通道管理器Selector上註冊讀事件

        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

    }
}

    上面的代碼很簡單，我們通過key獲取到註冊它的那個Channel，在這裏是ServerSocketChannel，通過server.accept()獲取客戶端連接，這裏同樣可以類比到傳統的阻塞

IO，在阻塞IO中我們可以通過ServerSocket.accept獲取到socket，唯一不同的是，阻塞IO中的accept方法是阻塞操作，而NIO中是非阻塞的。

    當然，僅僅是連接到客戶端並沒有什麼用處，服務端需要有讀寫數據的能力，比如你可以用NIO實現一個Http服務器(當然最佳實踐使用Netty等框架)。所以我們需要在Selector

上註冊讀事件，同樣，當讀事件發生時，執行我們自己的業務邏輯。下面是修改後的代碼：

 

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    if (key.isAcceptable()){
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel channel = server.accept();
        channel.configureBlocking(false);
        logger.info("客戶端已經連接！");
        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
    } else if(key.isReadable()){
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 創建讀取緩衝
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        //讀取到Buffer中
        int read = channel.read(buffer);
        if(read > 0){
            byte[] data = buffer.array();
            String msg = new String(data).trim();
            logger.info("receive msg: {}",msg)
            
            //回寫數據
            ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("OK".getBytes());
            channel.write(outBuffer);
        }else{
            logger.info("client closed!!!");
            key.cancel();
        }
    }
} 

 

總結

     本文大致講述了使用NIO進行服務器端開發的大致流程，但代碼顯然仍然存在問題，其一是我們只使用了一個線程執行所有操作，包括接收客戶端連接，讀取數據，返回數據，對於這個簡單的Demo來說已經足夠了，但在實際的服務器開發中，例如你想使用NIO開發自己的HTTP服務器，服務器本地需要做大量操作，包括解析用戶請求，根據請求路由到某一個Action執行業務邏輯，這其中又很可能某些數據從數據庫讀取，渲染模板等操作，十分耗時，這無疑又稱爲系統的瓶頸，再者，使用單一線程不能充分利用多核CPU提供的計算能力。下一篇中會看到，在基於Reactor模型的Netty中，會使用一個Boss線程接收客戶端請求，使用多個Worker線程執行具體的業務邏輯。