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Java阻塞IO与非阻塞IO

ForingY
 ForingY
发布于 2015/12/17 13:02
字数 2716
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IO: 
IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现,底层通过 I/O 指令进行完成。

阻塞与非阻塞: 
一辆从 A 开往 B 的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?

  1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。 ( 类似阻塞式 )

  2. 每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 ) 
    很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ,只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。

阻塞式I/O:(传统的IO) 
以网络应用为例,在传统IO方式(阻塞IO)中需要监听一个ServerSocket,接受请求的连接为其提供服务(服务通常包括了处理请求并发送响应)下图是服务器的生命周期图,其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。 
在此输入图片描述 
此方式在遇到多请求时,只能等待前面的请求完成后才能处理新的请求,所以通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程(大量的线程)。代码如下

public class TCPServer {    public static void main(String[] args) {        try {
            ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
            System.out.println("server start...");            while (true) {
                Socket s = ss.accept();                new LogicThread(s);//开一个线程来处理请求,这里面调用InputStream.read()读取请求信息
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocket

ServerSocket server=new ServerSocket(10000);

然后接受新的连接请求

Socket newConnection=server.accept();//阻塞

在LogicThread中处理请求

InputStream in = newConnection.getInputStream();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
Request request = new Request();while(!request.isComplete()) {    String line = buffer.readLine();//阻塞
        request.addLine(line);
}

生命周期如下图所示: 
在此输入图片描述

传统IO方式(阻塞I/O)在调用InputStream.read()/buffer.readLine()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来或缓冲区已满时或超时时才会返回,并且产生了大量String类型垃圾,尽管可以使用StringBuffer优化;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。并且多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些 CPU 时间。每个线程遇到外部未准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听某一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该 cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。

非阻塞式I/O(NIO):也可以说成“New I/O” 
核心类: 
1.Buffer 为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。 
2.Charset 字符集编码解码解决方案 
3.Channel 一个新的原始 I/O 抽象,用于读写Buffer类型,通道可以认为是一种连接,可以是到特定设备,程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下 
在此输入图片描述 
图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。 
GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道,相反的,ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。 
为了使通道能够同传统I/O类相容,Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader 
4.Selector 
在过去的阻塞I/O中,我们一般知道什么时候可以向stream中读或写,因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道,我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中,设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件,而不是在事件发生时通知应用,通道跟踪事件。然后,当应用调用Selector上的任意一个selection方法时,它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。

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。 
    如下图所示: 
    在此输入图片描述 
    (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。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: 
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。 
在此输入图片描述 
完整的非阻塞IO实例

/**
 * NIO服务端
 */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的工作
     * @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
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")    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();                // 客户端请求连接事件
                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("向客户端发送了一条信息").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,需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);                    // 获得了可读的事件
                } 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(1024);
        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
    }    /**
     * 启动服务端测试
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8000);
        server.listen();
    }

}/**
 * NIO客户端
 */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(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
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")    public void listen() throws IOException {        // 轮询访问selector
        while (true) {
            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("向服务端发送了一条信息").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);
                }

            }

        }
    }    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 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(1024);
        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);// 将消息回送给服务器端
    }    /**
     * 启动客户端测试
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost",8000);
        client.listen();
    }

}

参考; 
http://www.iteye.com/topic/834447 
http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656 
http://www.360doc.com/content/12/0604/15/9579107_215842144.shtml


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