分析Java NIO

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。爲了能夠正確地分析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）纔會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端連接纔會返回，每個客戶端連接過來後，服務端都會啓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：

 

 

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。且每個線程都要佔用棧空間和一些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，並負責分發。 
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。 

閱讀過一些資料之後，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

 

 

（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的服務端只需啓動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎麼實現的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧祕吧。java NIO採用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以註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，我們稱之爲selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端爲例，如果服務端的selector上註冊了讀事件，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爲止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：

 

 

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現 

爲了更好地理解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，並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();
        // 設置通道爲非阻塞
        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，併爲該通道註冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,註冊該事件後，
        //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);
    }

    /**
     * 採用輪詢的方式監聽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("服務端啓動成功！");
        // 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();
                // 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);

                    //在這裏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後，爲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();
        // 創建讀取的緩衝區
        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
    }

    /**
     * 啓動服務端測試
     * @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，並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();
        // 設置通道爲非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 獲得一個通道管理器
        this.selector = Selector.open();

        // 客戶端連接服務器,其實方法執行並沒有實現連接，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，併爲該通道註冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 採用輪詢的方式監聽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,以防重複處理
                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);

                    //在這裏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後，爲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
    }


    /**
     * 啓動客戶端測試
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost",8000);
        client.listen();
    }

}