Java NIO原理图文分析及代码实现

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”。这是一种基于阻塞式I/O的多线程模型。在该模型中,Server为每个Client连接创建一个处理线程,每个处理线程阻塞式等待可能达到的数据,一旦数据到达,则立即处理请求、返回处理结果并再次进入等待状态。由于每个Client连接有一个单独的处理线程为其服务,因此可保证良好的响应时间。但当系统负载增大(并发请求增多)时,Server端需要的线程数会增加,这将成为系统扩展的瓶颈所在。(Java IO与NIO的区别)
<IMG style="DISPLAY: block; MARGIN-LEFT: auto; MARGIN-RIGHT: auto" title=旧I/O模型,多个线程阻塞等待客户端请求 alt=旧I/O模型,多个线程阻塞等待客户端请求 src="http://www.flyoung.me/assets/images/javaio.jpg">

Java NIO

Java NIO不但引入了全新的高效的I/O机制,同时引入了基于Reactor设计模式的多路复用异步模式。NIO包中主要包含以下几种抽象数据类型。
* Channel(通道):NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel。它模拟了通信连接,类似于原I/O中的流(Stream),用户可以通过它读取和写入数据。目前已知的实例类有SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel、 FileChannel等。
* Buffer(缓冲区):Buffer是一块连续的内存区域,一般作为Channel收发数据的载体出现。所有数据都通过Buffer对象来处理。
* Selector(选择器):Selector类提供了监控一个和多个通道当前状态的机制。只要Channel向Selector注册了某种特定的事件,Selector就会监听这些事件是否会发生,一旦发生某个事件,便会通知对应的Channel。使用选择器,借助单一线程,就可对数量庞大的活动 I/O通道实施监控和维护。
<IMG style="DISPLAY: block; MARGIN-LEFT: auto; MARGIN-RIGHT: auto" title=新I/O模型,单个线程阻塞等待客户端请求 alt=新I/O模型,单个线程阻塞等待客户端请求 src="http://www.flyoung.me/assets/images/javanio.jpg">

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?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Java NIO的通信模型示意图:
Java NIO的通信模型

从下图中可以看出,当有读或写等任何注册的事件发生时,可以从Selector中获得相应的SelectionKey,同时从 SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel,以获得客户端发送过来的数据。 使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序,大体上可以分为下面三个步骤: 
1. 向Selector对象注册感兴趣的事件 
2. 从Selector中获取感兴趣的事件
3. 根据不同的事件进行相应的处理
Selector

参考

Java NIO原理图文分析及代码实现
Java NIO系列教程(十二)Java NIO与IO

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://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:

 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服务端
 * @author 小路
 */
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(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
 }
 
 /**
  * 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();
 }

}

客户端:

  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客户端
 * @author 小路
 */
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{
  //和服务端的read方法一样
 }
 
 
 /**
  * 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();
 }

}

小结: 

终于把动态代理和java NIO分析完了,呵呵,下面就要分析hadoop的RPC机制源码了,博客地址:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898 。不过如果对java NIO的理解存在异议的,欢迎一起讨论。

posted on 2016-02-28 10:37  1130136248  阅读(850)  评论(0编辑  收藏  举报

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