JAVA 非阻塞IO原理

1. 基本概念

IO是主存和外部設備(硬盤、終端和網絡等)傳輸數據的過程。IO是操作系統的底層功能實現，底層通過I/O指令進行完成。

2. nio簡介

nio是java New IO的簡稱（並不只是指非阻塞IO），在jdk1.4裏提供的新api。Sun官方標榜的特性如下：
–   爲所有的原始類型提供(Buffer)緩存支持。
–   字符集編碼解碼解決方案。
–   Channel：一個新的原始I/O抽象。
–   支持鎖和內存映射文件的文件訪問接口。
–   提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸縮性網絡I/O。

詳細介紹可見 http://www.iteye.com/topic/834447

3. 非阻塞 IO

何爲阻塞、何爲非阻塞，非阻塞原理。

何爲阻塞？

一個常見的網絡IO通訊流程如下:

何爲非阻塞？
下面有個隱喻：
一輛從 A 開往 B 的公共汽車上，路上有很多點可能會有人下車。司機不知道哪些點會有哪些人會下車，對於需要下車的人，如何處理更好？
1. 司機過程中定時詢問每個乘客是否到達目的地，若有人說到了，那麼司機停車，乘客下車。 ( 類似阻塞式 )
2. 每個人告訴售票員自己的目的地，然後睡覺，司機只和售票員交互，到了某個點由售票員通知乘客下車。 ( 類似非阻塞 )
很顯然，每個人要到達某個目的地可以認爲是一個線程，司機可以認爲是 CPU 。在阻塞式裏面，每個線程需要不斷的輪詢，上下文切換，以達到找到目的地的結果。而在非阻塞方式裏，每個乘客 ( 線程 ) 都在睡覺 ( 休眠 ) ，只在真正外部環境準備好了才喚醒，這樣的喚醒肯定不會阻塞。

socket的操作都有一個共同的結構：
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply
經典的網絡服務的設計如下圖，在每個線程中完成對數據的處理：

但這種模式在用戶負載增加時，性能將下降非常的快。我們需要重新尋找一個新的方案，保持數據處理的流暢，很顯然，事件觸發機制是最好的解決辦法，當有事件發生時，會觸動handler,然後開始數據的處理。

Reactor模式類似於AWT中的Event處理：

Reactor模式參與者
1.Reactor 負責響應IO事件，一旦發生，廣播發送給相應的Handler去處理,這類似於AWT的thread
2.Handler 是負責非堵塞行爲，類似於AWT ActionListeners；同時負責將handlers與event事件綁定，類似於AWT addActionListener

非阻塞的原理
把整個過程切換成小的任務，通過任務間協作完成。
由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，並負責分發
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。
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。減少無謂的進程切換。
Reactor就是上面隱喻的售票員角色。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
如圖：

Java的NIO爲reactor模式提供了實現的基礎機制，它的Selector當發現某個channel有數據時，會通過SlectorKey來告知我們，在此我們實現事件和handler的綁定。
我們來看看Reactor模式代碼:

public class Reactor implements Runnable{

　　final Selector selector;
　　final ServerSocketChannel serverSocket;

　　Reactor(int port) throws IOException {
　　　　selector = Selector.open();
　　　　serverSocket = ServerSocketChannel.open();
　　　　InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);
　　　　serverSocket.socket().bind(address);

　　　　serverSocket.configureBlocking(false);
　　　　//向selector註冊該channel
　　　　 SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　　　logger.debug("-->Start serverSocket.register!");

　　　　//利用sk的attache功能綁定Acceptor 如果有事情，觸發Acceptor
　　　　sk.attach(new Acceptor());
　　　　logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");
　　}


　　public void run() { // normally in a new Thread
　　　　try {
　　　　while (!Thread.interrupted())
　　　　{
　　　　　　selector.select();
　　　　　　Set selected = selector.selectedKeys();
　　　　　　Iterator it = selected.iterator();
　　　　　　//Selector如果發現channel有OP_ACCEPT或READ事件發生，下列遍歷就會進行。
　　　　　　while (it.hasNext())
　　　　　　　　//來一個事件 第一次觸發一個accepter線程
　　　　　　　　//以後觸發SocketReadHandler
　　　　　　　　dispatch((SelectionKey)(it.next()));
　　　　　　　　selected.clear();
　　　　　　}
　　　　}catch (IOException ex) {
　　　　　　　　logger.debug("reactor stop!"+ex);
　　　　}
　　}

　　//運行Acceptor或SocketReadHandler
　　void dispatch(SelectionKey k) {
　　　　Runnable r = (Runnable)(k.attachment());
　　　　if (r != null){
　　　　　　// r.run();

　　　　}
　　}

　　class Acceptor implements Runnable { // inner
　　　　public void run() {
　　　　try {
　　　　　　logger.debug("-->ready for accept!");
　　　　　　SocketChannel c = serverSocket.accept();
　　　　　　if (c != null)
　　　　　　　　//調用Handler來處理channel
　　　　　　　　new SocketReadHandler(selector, c);
　　　　　　}
　　　　catch(IOException ex) {
　　　　　　logger.debug("accept stop!"+ex);
　　　　}
　　　　}
　　}
}

以上代碼中巧妙使用了SocketChannel的attach功能，將Hanlder和可能會發生事件的channel鏈接在一起，當發生事件時，可以立即觸發相應鏈接的Handler。

將數據讀出後，可以將這些數據處理線程做成一個線程池，這樣，數據讀出後，立即扔到線程池中，這樣加速處理速度：