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java NIO原理及通信模型

柳哥
 柳哥
发布于 2015/02/15 20:48
字数 1586
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Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新IO”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:

  • 由一个专门的线程来处理所有的IO事件,并负责分发。

  • 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。

  • 线程通讯:线程之间通过wait,notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

阅读过一些资料之后,下面贴出我理解的java  NIO的工作原理图:


注:每个线程的处理流程大概都是读取数据,解码,计算处理,编码,发送响应。

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的IO事件,这种通信模型是怎么实现的呢?呵呵,我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道(channel)进行数据传输,而不是单向流(stream),在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件:

事件名                                                
对应值                                                         
服务端接收客户端连接事件
SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件
SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件
SelectionKey.OP_READ(1)
写事件
SelectionKey.OP_WRITE(4)

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象,我们称之为selector,该对象能检测一个或多个通道(channel)上的事件。我们以服务端为例,如果服务端的selector上注册了读事件,某时刻客户端给服务端送了一些数据,阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据,而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector,如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达,则处理这些事件,如果没有感兴趣的事件到达,则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图:

为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现:

服务端:

package 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;

public class NIOServer {
    //通道管理器
    private Selector selector;
    /*
     * 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化工作
     * @param port     绑定的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initServer(int port) throws IOException {
        //获得一个ServerSocket通道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        //设置通道为非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
        //将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        /*将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册
        *该事件后,当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()
        *会一直阻塞。
        */
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
    /*
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理
     * @throws IOException
     */
    public void listen() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动成功!");
        //轮询访问selector
        while(true){
            //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞
            selector.select();
            //获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while(ite.hasNext()){
                SelectionKey key = (SelectionKey)ite.next();
                //删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                //客户请求连接事件
                if(key.isAcceptable()){
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)key.channel();
                    //获得和客户端连接的通道
                    SocketChannel channel = server.accept();
                    //设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    //在这里可以给客户端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("1234567890").getBytes()));
                    //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读权限
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
                }else if(key.isReadable()){
                    read(key);
                }
            }
        }
    }
    /*
     * 处理读取客户端发来的信息的事件
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key ) throws IOException{
        //服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        //创建读取的缓冲区 
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端收到信息:" + msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);//将消息回送给客户端
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8080);
        server.listen();
    }
}

客户端:

package 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;

public class NIOClient {
    //通道管理器
    private Selector selector;
    /*
     * 获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作
     * @param        ip,连接的服务器的ip
     * @param        port,连接的服务器的端口号
     * @throws     IOException
     */
    public void initClient(String ip,int port) throws IOException{
        //获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        //设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        //获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        /*客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接,需要在listen()方法中
        *调用channel.finishConnect()才能完成连接
        */
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
        //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件
        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }
    /*
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理。
     * @throws IOException
     */
    public void listen() throws IOException{
        //轮询访问selector
        while(true){
            /*
             * 选择一组可以进行I/O操作的事件,放在selector中,客户端的该方法不会阻塞,
             * 这里和服务端的方法不一样,查看api注释可以知道,当至少一个通道被选中时,
             * selector的wakeup方法被调用,方法返回,而对于客户端来说,通道一直是被选中的
             */
            selector.select();
            //获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while(ite.hasNext()){
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                //删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                //连接事件发生
                if(key.isConnectable()){
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    //如果正在连接,则完成连接
                    if(channel.isConnectionPending()){
                        channel.finishConnect();
                    }
                    //设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("abcdefg").getBytes()));
                    //在和服务端连接成功之后,为了可以接收到服务端的信息,需要给通道设置读的权限
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
                    //获得了可读的事件
                } else if(key.isReadable()){
                    read(key);
                }
            }
        }
    }
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("客户端收到信息:" + msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost", 8080);
        client.listen();
    }
}


本文转载自:http://developer.51cto.com/art/201204/328340.htm

柳哥
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hxqqqqqq
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如果有机会交流,请加我Q282567546
hxqqqqqq
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这里有写到反应堆模型,它分为单、多、主从模型,这都是上层的。底层应该都是依赖操作系统IO模型来的吧?其实我想问,如果底层是select IO模型好像这种反应堆和java bio模型区别不大吧?
DonaldCen
DonaldCen
膜拜大神!
wobushiwangj
wobushiwangj
写得很好
Java NIO原理 图文分析及代码实现

Java NIO原理图文分析及代码实现 前言: 最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术...

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Java NIO原理图文分析及代码实现

前言: 最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考:http://baik...

SunnyWu
2014/11/05
648
1
Java NIO原理图文分析及代码实现

前言: 最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考:http://baik...

phacks
2015/08/19
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Java IO 在Client/Server模型中,Server往往需要同时处理大量来自Client的访问请求,因此Server端需采用支持高并发访问的架构。一种简单而又直接的解决方案是“one-thread-per-connection”。...

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