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服務器之家 - 編程語言 - JAVA教程 - Java NIO原理圖文分析及代碼實現

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

2020-06-12 15:27逸情公子 JAVA教程

本文主要介紹Java NIO原理的知識，這里整理了詳細資料及簡單示例代碼和原理圖，有需要的小伙伴可以參考下

前言:

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠程過程調用協議，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。可以參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理（動態代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實現。

這篇博客我主要從兩個方向來分析java NIO

目錄：

一．java NIO 和阻塞I/O的區別
     1. 阻塞I/O通信模型
     2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

具體分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的區別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現在你對阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到數據到來時（或超時）才會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端連接才會返回，每個客戶端連接過來后，服務端都會啟動一個線程去處理該客戶端的請求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

 如果你細細分析，一定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通信模型，我總結了它的兩點缺點：

1. 當客戶端多時，會創建大量的處理線程。且每個線程都要占用棧空間和一些CPU時間

2. 阻塞可能帶來頻繁的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2. java NIO原理及通信模型

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

1. 由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發。
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。
3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的線程切換。

閱讀過一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

 
（注：每個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。）

Java NIO的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實現的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

 

事件名 對應值
服務端接收客戶端連接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件 SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)
        

 

  服務端和客戶端各自維護一個管理通道的對象，我們稱之為selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端為例，如果服務端的selector上注冊了讀事件，某時刻客戶端給服務端發送了一些數據，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取數據，而NIO的服務端會在selector中添加一個讀事件。服務端的處理線程會輪詢地訪問selector，如果訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，如果沒有感興趣的事件到達，則處理線程會一直阻塞直到感興趣的事件到達為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：

Java NIO原理圖文分析及代碼實現

 二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和客戶端的簡單代碼實現。

服務端：

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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服務端
 * @author 小路
 */
public class NIOServer {
 //通道管理器
 private Selector selector;
 
 /**
  * 獲得一個ServerSocket通道，并對該通道做一些初始化的工作
  * @param port 綁定的端口號
  * @throws IOException
  */
 public void initServer(int port) throws IOException {
  // 獲得一個ServerSocket通道
  ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
  // 設置通道為非阻塞
  serverChannel.configureBlocking(false);
  // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口
  serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
  // 獲得一個通道管理器
  this.selector = Selector.open();
  //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊該事件后，
  //當該事件到達時，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。
  serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 }
 
 /**
  * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理
  * @throws IOException
  */
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public void listen() throws IOException {
  System.out.println("服務端啟動成功！");
  // 輪詢訪問selector
  while (true) {
   //當注冊的事件到達時，方法返回；否則,該方法會一直阻塞
   selector.select();
   // 獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為注冊的事件
   Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
   while (ite.hasNext()) {
    SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
    // 刪除已選的key,以防重復處理
    ite.remove();
    // 客戶端請求連接事件
    if (key.isAcceptable()) {
     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
       .channel();
     // 獲得和客戶端連接的通道
     SocketChannel channel = server.accept();
     // 設置成非阻塞
     channel.configureBlocking(false);
 
     //在這里可以給客戶端發送信息哦
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發送了一條信息").getBytes()));
     //在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設置讀的權限。
     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
      
     // 獲得了可讀的事件
    } else if (key.isReadable()) {
      read(key);
    }
 
   }
 
  }
 }
 /**
  * 處理讀取客戶端發來的信息 的事件
  * @param key
  * @throws IOException
  */
 public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  // 服務器可讀取消息:得到事件發生的Socket通道
  SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  // 創建讀取的緩沖區
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
  channel.read(buffer);
  byte[] data = buffer.array();
  String msg = new String(data).trim();
  System.out.println("服務端收到信息："+msg);
  ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端
 }
  
 /**
  * 啟動服務端測試
  * @throws IOException
  */
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  NIOServer server = new NIOServer();
  server.initServer(8000);
  server.listen();
 }
 
}
 

客戶端：

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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客戶端
 * @author 小路
 */
public class NIOClient {
 //通道管理器
 private Selector selector;
 
 /**
  * 獲得一個Socket通道，并對該通道做一些初始化的工作
  * @param ip 連接的服務器的ip
  * @param port 連接的服務器的端口號  
  * @throws IOException
  */
 public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
  // 獲得一個Socket通道
  SocketChannel channel = SocketChannel.open();
  // 設置通道為非阻塞
  channel.configureBlocking(false);
  // 獲得一個通道管理器
  this.selector = Selector.open();
   
  // 客戶端連接服務器,其實方法執行并沒有實現連接，需要在listen（）方法中調
  //用channel.finishConnect();才能完成連接
  channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
  //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。
  channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
 }
 
 /**
  * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理
  * @throws IOException
  */
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public void listen() throws IOException {
  // 輪詢訪問selector
  while (true) {
   selector.select();
   // 獲得selector中選中的項的迭代器
   Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
   while (ite.hasNext()) {
    SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
    // 刪除已選的key,以防重復處理
    ite.remove();
    // 連接事件發生
    if (key.isConnectable()) {
     SocketChannel channel = (SocketChannel) key
       .channel();
     // 如果正在連接，則完成連接
     if(channel.isConnectionPending()){
      channel.finishConnect();
       
     }
     // 設置成非阻塞
     channel.configureBlocking(false);
 
     //在這里可以給服務端發送信息哦
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發送了一條信息").getBytes()));
     //在和服務端連接成功之后，為了可以接收到服務端的信息，需要給通道設置讀的權限。
     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
      
     // 獲得了可讀的事件
    } else if (key.isReadable()) {
      read(key);
    }
 
   }
 
  }
 }
 /**
  * 處理讀取服務端發來的信息 的事件
  * @param key
  * @throws IOException
  */
 public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  //和服務端的read方法一樣
 }
  
  
 /**
  * 啟動客戶端測試
  * @throws IOException
  */
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  NIOClient client = new NIOClient();
  client.initClient("localhost",8000);
  client.listen();
 }
 
}

小結：

終于把動態代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC機制源碼了，博客地址：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898 。不過如果對java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。
如需轉載，請注明出處：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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