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：

 

Java代码 复制代码 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. }  
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：

 

 

Java代码 复制代码 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. }  
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。

 

 

 

如需转载，请注明出处：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

 

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posted on 2015-03-25 17:23  为努力骄傲  阅读(986)  评论(0)    收藏  举报

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