深入理解Java NIO

初识NIO:

    在 JDK 1. 4 中 新 加入 了 NIO( New Input/ Output) 类, 引入了一种基于通道和缓冲区的 I/O 方式,它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作,避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

    NIO 是一种同步非阻塞的 IO 模型。同步是指线程不断轮询 IO 事件是否就绪,非阻塞是指线程在等待 IO 的时候,可以同时做其他任务。同步的核心就是 Selector,Selector 代替了线程本身轮询 IO 事件,避免了阻塞同时减少了不必要的线程消耗;非阻塞的核心就是通道和缓冲区,当 IO 事件就绪时,可以通过写道缓冲区,保证 IO 的成功,而无需线程阻塞式地等待。

Buffer:

    为什么说NIO是基于缓冲区的IO方式呢?因为,当一个链接建立完成后,IO的数据未必会马上到达,为了当数据到达时能够正确完成IO操作,在BIO(阻塞IO)中,等待IO的线程必须被阻塞,以全天候地执行IO操作。为了解决这种IO方式低效的问题,引入了缓冲区的概念,当数据到达时,可以预先被写入缓冲区,再由缓冲区交给线程,因此线程无需阻塞地等待IO。

通道:

    当执行:SocketChannel.write(Buffer),便将一个 buffer 写到了一个通道中。如果说缓冲区还好理解,通道相对来说就更加抽象。网上博客难免有写不严谨的地方,容易使初学者感到难以理解。

    引用 Java NIO 中权威的说法:通道是 I/O 传输发生时通过的入口,而缓冲区是这些数 据传输的来源或目标。对于离开缓冲区的传输,您想传递出去的数据被置于一个缓冲区,被传送到通道。对于传回缓冲区的传输,一个通道将数据放置在您所提供的缓冲区中。

    例如 有一个服务器通道 ServerSocketChannel serverChannel,一个客户端通道 SocketChannel clientChannel;服务器缓冲区:serverBuffer,客户端缓冲区:clientBuffer。

    当服务器想向客户端发送数据时,需要调用:clientChannel.write(serverBuffer)。当客户端要读时,调用 clientChannel.read(clientBuffer)

    当客户端想向服务器发送数据时,需要调用:serverChannel.write(clientBuffer)。当服务器要读时,调用 serverChannel.read(serverBuffer)

    这样,通道和缓冲区的关系似乎更好理解了。在实践中,未必会出现这种双向连接的蠢事(然而这确实存在的,后面的内容还会涉及),但是可以理解为在NIO中:如果想将Data发到目标端,则需要将存储该Data的Buffer,写入到目标端的Channel中,然后再从Channel中读取数据到目标端的Buffer中。

Selector:

    通道和缓冲区的机制,使得线程无需阻塞地等待IO事件的就绪,但是总是要有人来监管这些IO事件。这个工作就交给了selector来完成,这就是所谓的同步。

    Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接(通道),但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。

    要使用Selector,得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪,这就是所说的轮询。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件。

    Selector中注册的感兴趣事件有:

  • OP_ACCEPT

  • OP_CONNECT 

  • OP_READ 

  • OP_WRITE

优化:

    一种优化方式是:将Selector进一步分解为Reactor,将不同的感兴趣事件分开,每一个Reactor只负责一种感兴趣的事件。这样做的好处是:1、分离阻塞级别,减少了轮询的时间;2、线程无需遍历set以找到自己感兴趣的事件,因为得到的set中仅包含自己感兴趣的事件。

NIO和epoll:

    epoll是Linux内核的IO模型。我想一定有人想问,AIO听起来比NIO更加高大上,为什么不使用AIO?AIO其实也有应用,但是有一个问题就是,Linux是不支持AIO的,因此基于AIO的程序运行在Linux上的效率相比NIO反而更低。而Linux是最主要的服务器OS,因此相比AIO,目前NIO的应用更加广泛。

    说到这里,可能你已经明白了,epoll一定和NIO有着很深的因缘。没错,如果仔细研究epoll的技术内幕,你会发现它确实和NIO非常相似,都是基于“通道”和缓冲区的,也有selector,只是在epoll中,通道实际上是操作系统的“管道”。和NIO不同的是,NIO中,解放了线程,但是需要由selector阻塞式地轮询IO事件的就绪;而epoll中,IO事件就绪后,会自动发送消息,通知selector:“我已经就绪了。”可以认为,Linux的epoll是一种效率更高的NIO。

NIO轶事:

    一篇有意思的博客,讲的 Java selector.open() 的时候,会创建一个自己和自己的链接(windows上是tcp,linux上是通道)

    这么做的原因:可以从 Apache Mina 中窥探。在 Mina 中,有如下机制:

  1. Mina框架会创建一个Work对象的线程。

  2. Work对象的线程的run()方法会从一个队列中拿出一堆Channel,然后使用Selector.select()方法来侦听是否有数据可以读/写。

  3. 最关键的是,在select的时候,如果队列有新的Channel加入,那么,Selector.select()会被唤醒,然后重新select最新的Channel集合。

  4. 要唤醒select方法,只需要调用Selector的wakeup()方法。

    而一个阻塞在select上的线程有以下三种方式可以被唤醒:

  1. 有数据可读/写,或出现异常。

  2. 阻塞时间到,即time out。

  3. 收到一个non-block的信号。可由kill或pthread_kill发出。

    首先 2 可以排除,而第三种方式,只在linux中存在。因此,Java NIO为什么要创建一个自己和自己的链接:就是如果想要唤醒select,只需要朝着自己的这个loopback连接发点数据过去,于是,就可以唤醒阻塞在select上的线程了。

posted @ 2016-08-15 19:21 Geason崔 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏