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Java NIO原理图文分析及代码实现

phacks
 phacks
发布于 2015/08/19 08:42
字数 2086
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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://baike.baidu.com/view/32726.htm )机制时,发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术:动态代理(动态代理可以参考博客:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 )和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码,我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。

这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO

目录:
一.java NIO 和阻塞I/O的区别
     1. 阻塞I/O通信模型
     2. java NIO原理及通信模型
二.java NIO服务端和客户端代码实现
 

具体分析: 

一.java NIO 和阻塞I/O的区别 

1. 阻塞I/O通信模型 

假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解,我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来时(或超时)才会返回;同样,在调用ServerSocket.accept()方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下:


如果你细细分析,一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型,我总结了它的两点缺点:
1. 当客户端多时,会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间

2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换,且大部分上下文切换可能是无意义的。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2. 
java NIO原理及通信模型 

Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新I/O”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:

1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。 
2. 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。 
3. 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,而不是单向的流(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发送了一些数据,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:

二.java NIO服务端和客户端代码实现 

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:

 

Java代码  收藏代码

  1. package cn.nio;  

  2.   

  3. import java.io.IOException;  

  4. import java.net.InetSocketAddress;  

  5. import java.nio.ByteBuffer;  

  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  

  7. import java.nio.channels.Selector;  

  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  

  9. import java.nio.channels.SocketChannel;  

  10. import java.util.Iterator;  

  11.   

  12. /** 

  13.  * NIO服务端 

  14.  * @author 小路 

  15.  */  

  16. public class NIOServer {  

  17.     //通道管理器  

  18.     private Selector selector;  

  19.   

  20.     /** 

  21.      * 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作 

  22.      * @param port  绑定的端口号 

  23.      * @throws IOException 

  24.      */  

  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  

  26.         // 获得一个ServerSocket通道  

  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  

  28.         // 设置通道为非阻塞  

  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  

  30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  

  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  

  32.         // 获得一个通道管理器  

  33.         this.selector = Selector.open();  

  34.         //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,  

  35.         //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。  

  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  

  37.     }  

  38.   

  39.     /** 

  40.      * 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 

  41.      * @throws IOException 

  42.      */  

  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  

  44.     public void listen() throws IOException {  

  45.         System.out.println("服务端启动成功!");  

  46.         // 轮询访问selector  

  47.         while (true) {  

  48.             //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞  

  49.             selector.select();  

  50.             // 获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件  

  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  

  52.             while (ite.hasNext()) {  

  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  

  54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  

  55.                 ite.remove();  

  56.                 // 客户端请求连接事件  

  57.                 if (key.isAcceptable()) {  

  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  

  59.                             .channel();  

  60.                     // 获得和客户端连接的通道  

  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  

  62.                     // 设置成非阻塞  

  63.                     channel.configureBlocking(false);  

  64.   

  65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  

  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  

  67.                     //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。  

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

  69.                       

  70.                     // 获得了可读的事件  

  71.                 } else if (key.isReadable()) {  

  72.                         read(key);  

  73.                 }  

  74.   

  75.             }  

  76.   

  77.         }  

  78.     }  

  79.     /** 

  80.      * 处理读取客户端发来的信息 的事件 

  81.      * @param key 

  82.      * @throws IOException  

  83.      */  

  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  

  85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  

  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  

  87.         // 创建读取的缓冲区  

  88.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  

  89.         channel.read(buffer);  

  90.         byte[] data = buffer.array();  

  91.         String msg = new String(data).trim();  

  92.         System.out.println("服务端收到信息:"+msg);  

  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  

  94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  

  95.     }  

  96.       

  97.     /** 

  98.      * 启动服务端测试 

  99.      * @throws IOException  

  100.      */  

  101.     public static void main(String[] args) throws IOException {  

  102.         NIOServer server = new NIOServer();  

  103.         server.initServer(8000);  

  104.         server.listen();  

  105.     }  

  106.   

  107. }  

 

 

客户端:

 

 

Java代码  收藏代码

  1. package cn.nio;  

  2.   

  3. import java.io.IOException;  

  4. import java.net.InetSocketAddress;  

  5. import java.nio.ByteBuffer;  

  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  

  7. import java.nio.channels.Selector;  

  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  

  9. import java.util.Iterator;  

  10.   

  11. /** 

  12.  * NIO客户端 

  13.  * @author 小路 

  14.  */  

  15. public class NIOClient {  

  16.     //通道管理器  

  17.     private Selector selector;  

  18.   

  19.     /** 

  20.      * 获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作 

  21.      * @param ip 连接的服务器的ip 

  22.      * @param port  连接的服务器的端口号          

  23.      * @throws IOException 

  24.      */  

  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  

  26.         // 获得一个Socket通道  

  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  

  28.         // 设置通道为非阻塞  

  29.         channel.configureBlocking(false);  

  30.         // 获得一个通道管理器  

  31.         this.selector = Selector.open();  

  32.           

  33.         // 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  

  34.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  

  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  

  36.         //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。  

  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  

  38.     }  

  39.   

  40.     /** 

  41.      * 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 

  42.      * @throws IOException 

  43.      */  

  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  

  45.     public void listen() throws IOException {  

  46.         // 轮询访问selector  

  47.         while (true) {  

  48.             selector.select();  

  49.             // 获得selector中选中的项的迭代器  

  50.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  

  51.             while (ite.hasNext()) {  

  52.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  

  53.                 // 删除已选的key,以防重复处理  

  54.                 ite.remove();  

  55.                 // 连接事件发生  

  56.                 if (key.isConnectable()) {  

  57.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  

  58.                             .channel();  

  59.                     // 如果正在连接,则完成连接  

  60.                     if(channel.isConnectionPending()){  

  61.                         channel.finishConnect();  

  62.                           

  63.                     }  

  64.                     // 设置成非阻塞  

  65.                     channel.configureBlocking(false);  

  66.   

  67.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  

  68.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  

  69.                     //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。  

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

  71.                       

  72.                     // 获得了可读的事件  

  73.                 } else if (key.isReadable()) {  

  74.                         read(key);  

  75.                 }  

  76.   

  77.             }  

  78.   

  79.         }  

  80.     }  

  81.     /** 

  82.      * 处理读取服务端发来的信息 的事件 

  83.      * @param key 

  84.      * @throws IOException  

  85.      */  

  86.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  

  87.         //和服务端的read方法一样  

  88.     }  

  89.       

  90.       

  91.     /** 

  92.      * 启动客户端测试 

  93.      * @throws IOException  

  94.      */  

  95.     public static void main(String[] args) throws IOException {  

  96.         NIOClient client = new NIOClient();  

  97.         client.initClient("localhost",8000);  

  98.         client.listen();  

  99.     }  

  100.   

  101. }  

 


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