JAVA I/O多路复用IO
Posted 水木竹水
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JAVA I/O多路复用IO相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
在前边介绍Socket和ServerSocket连接交互的过程中，读写都是阻塞的。套接字写数据时，数据先写入操作系统的缓存中，形成TCP或UDP的负载，作为套接字传输到目标端，当缓存大小不足时，线程会阻塞。套接字读数据时，如果操作系统缓存没有接收到信息，则读线程阻塞。线程阻塞情况下，就不能处理其他事情。JDK1.4引入了通道和选择器的概念，以支持异步或多路复用的IO。
Unix系统中的select()方法可以实现异步IO，可以给该Selector注册多个描述符（可读或可写），然后对这些描述符进行监控。在Java中，描述符即为套接字Socket。
如JAVA I/O（二）文件NIO中对选择器的介绍，在非阻塞模式下，用select()方法检测发生变化的通道，每个通道都关联一个Socket，用一个线程实现多个客户端的请求，从而实现多路复用。
1. 简单实例
服务器端
import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.CharBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.util.Iterator; public class MultiJabberServer1 { public static final int PORT = 8080; public static void main(String[] args) throws IOException{ String encoding = System.getProperty("file.encoding"); Charset cs = Charset.forName(encoding); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); SocketChannel ch = null;//Socket对应的channel //1.创建ServerSocketChannel ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); //2.创建选择器Selector Selector sel = Selector.open(); try { //3.设置ServerSocketChannel通道为非阻塞 ssc.configureBlocking(false); //4.ServerSocketChannel关联Socket，用于监听连接，使用本地ip和port //注意：Socket也对通道进行了改造，直接调Socket.getChannel()将返回bull，除非通过下边与通道关联 //the expression (ssc.socket().getChannel() != null) is true ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT)); //5.将通道注册到Selector，感兴趣的事件为 连接 事件 ssc.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server on port: " + PORT); while(true) { //6.没有事件发生时，一直阻塞等待 sel.select(); //7.有事件发生时，获取Selector中所有SelectorKey（持有选择器与通道的关联关系）。 //由于基于操作系统的poll()方法，当有事件发生时，只返回事件个数，无法确定具体通道，故只能对所有注册的通道进行遍历。 Iterator<SelectionKey> it = sel.selectedKeys().iterator(); //8.遍历所有SelectorKey，处理事件 while(it.hasNext()) { SelectionKey sKey = it.next(); it.remove();//防止重复处理 //9.判断SelectorKey对应的channel发生的事件是否socket连接 if(sKey.isAcceptable()) { //10.与ServerSocket.accept()方法相似，接收到该通道套接字的连接，返回SocketChannel，与客户端进行交互 ch = ssc.accept(); System.out.println( "Accepted connection from:" + ch.socket()); //11.设置该SocketChannel为非阻塞模式 ch.configureBlocking(false); //12.将该通道注册到Selector中，感兴趣的事件为OP_READ（读） ch.register(sel, SelectionKey.OP_READ); }else { //13.发生非连接事件，此处为OP_READ事件。SelectorKey获取注册的SocketChannel，用于读写 ch = (SocketChannel)sKey.channel(); //14.将数据从channel读到ByteBuffer中 ch.read(buffer); CharBuffer cb = cs.decode((ByteBuffer)buffer.flip()); String response = cb.toString(); System.out.print("Echoing : " + response); //15.再将获取到的数据会写给客户端 ch.write((ByteBuffer)buffer.rewind()); if(response.indexOf("END") != -1) ch.close(); buffer.clear(); } } } } finally { if(ch != null) ch.close(); ssc.close(); sel.close(); } } }
如代码中注释标明，大致步骤包含：
- 创建ServerSocketChannel和Selector，设置通道非阻塞，并与服务端的Socket绑定
- 注册 ServerSocketChannel到Selector，感兴趣的事件为OP_CONNECT（获取连接）
- select()方法阻塞等待，直到有事件发生
- 遍历Selector中的所有注册事件，通过SelectorKey维护Selector和Channel关联关系
- 如果是连接事件，则调ServerSocketChannel.accept()方法获取SocketChannel，与客户端交互
- 如果是读事件，则通过SelectorKey中获取SocketChannel，读写数据
运行结果：
Server on port: 8080
客户端
import java.io.IOException; import java.net.InetAddress; 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.nio.charset.Charset; import java.util.Iterator; import com.test.socketio.JabberServer; /** * 采用这种方式，读与写是非阻塞的 * 普通的读写是阻塞的，直到读完或写完 * */ public class JabberClient1 { static final int clPot = 8899; public static void main(String[] args) throws IOException{ //1.创建SocketChannel SocketChannel sc = SocketChannel.open(); //2.创建Selector Selector sel = Selector.open(); try { sc.configureBlocking(false); //3.关联SocketChannel和Socket，socket绑定到本机端口 sc.socket().bind(new InetSocketAddress(clPot)); //4.注册到Selector，感兴趣的事件为OP_CONNECT、OP_READ、OP_WRITE sc.register(sel, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); int i = 0; boolean written = false, done = false; String encoding = System.getProperty("file.encoding"); Charset cs = Charset.forName(encoding); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); while(!done) { sel.select(); //5.从选择器中获取所有注册的通道信息（SelectionKey作为标识） Iterator<SelectionKey> it = sel.selectedKeys().iterator(); while(it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); it.remove(); //6.获取通道，此处即为上边创建的channel sc = (SocketChannel)key.channel(); //7.判断SelectorKey对应的channel发生的事件是否socket连接，并且还没有连接 if(key.isConnectable() && !sc.isConnected()) { InetAddress addr = InetAddress.getByName(null); //连接addr和port对应的服务器 boolean success = sc.connect(new InetSocketAddress(addr, JabberServer.PORT)); if(!success) sc.finishConnect(); } //8.读与写是非阻塞的：客户端写一个信息到服务器，服务器发送一个信息到客户端，客户端再读 if(key.isReadable() && written) { if(sc.read((ByteBuffer)buffer.clear()) > 0) { written = false; String response = cs.decode((ByteBuffer)buffer.flip()).toString(); System.out.println(response); if(response.indexOf("END") != -1) done = true; } } if(key.isWritable() && !written) { if(i < 10) sc.write(ByteBuffer.wrap(new String("howdy " + i + "\\n").getBytes())); else if(i == 10){ sc.write(ByteBuffer.wrap("END".getBytes())); } written = true; i++; } } } } finally { sc.close(); sel.close(); } } }
客户端与服务端类似，不同之处：
- 创建SocketChannel通道，注册到选择器，刚兴趣的事件为OP_CONNECT、OP_READ、OP_WRITE
- 调试发现，客户端sel.select()不会阻塞，对注册通道不断的遍历，并且每次都可写。原因是OP_WRITE事件会持续生效，即只要连接存在就可以写，不管服务端是否有返回
- 本例中，客户端发送一条数据，服务端接收一条，并返回给客户端；客户端接到服务端的消息后，才会发生下一条数据，主要通过written标识进行控制的。
运行机制
运行结果
服务端
Server on port: 8080 Accepted connection from:Socket[addr=/127.0.0.1,port=8899,localport=8080] Echoing : howdy 0 Echoing : howdy 1 Echoing : howdy 2 Echoing : howdy 3 Echoing : howdy 4 Echoing : howdy 5 Echoing : howdy 6 Echoing : howdy 7 Echoing : howdy 8 Echoing : howdy 9 Echoing : END
客户端
howdy 0 howdy 1 howdy 2 howdy 3 howdy 4 howdy 5 howdy 6 howdy 7 howdy 8 howdy 9 END
2.核心类分析
（1）通道（SelectableChannel）
通道Channel继承体系如下，其中ServerSocketChannel和SocketChannel都继承自SelectableChannel。
- SelectableChannel通道可以通过Selector实现多路复用（multiplexed）。
- 通道通过register(Selector,int,Object)方法注册到Selector中，并返回SelectorKey（代表注册到Selector上的注册信息）。
- 在一个Selector中，同一个通道只能注册一份；是否可以注册到多个Selector中，由程序调用isRegistered()方法决定。
- SelectableChannel通道是线程安全的。
- SelectableChannel包含阻塞和非阻塞两种模式，只有非阻塞时才可以注册到Selector中。
ServerSocketChannel（A selectable channel for stream-oriented listening sockets.），用于监听Socket的基于流的可选通道。
SocketChannel（A selectable channel for stream-oriented connecting sockets.），用于连接Socket的基于流额可选通道。
（2）选择器（Selector）
Selector是SelectableChannel的多路复选器，该类包含以下方法。
- 通过open()方法创建Selector
- 包含三种SelectorKey Set：所有注册的SelectorKey、被选的SelectorKey（通道发生事件）、被取消的SelectorKey（不可直接访问）
- 每次select()操作，都会从被选的SelectorKey集合中删除或新增，清楚被取消的SelectorKey中的SelectorKey
（3）选择建（SelectorKey）
选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系。选择键对象被SelectableChannel.register()返回并提供一个表示这种注册关系的标记。选择键包含了两个比特集(以整数的形式进行编码)，指示了该注册关系所关心的通道操作，以及通道已经准备好的操作。包括读、写、连接和接收操作，如下：
public static final int OP_READ = 1 << 0; public static final int OP_WRITE = 1 << 2; public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
3.Reactor设计模式
基于Selector的多路复用IO，机制是采用Reactor设计模式，将一个或多个客户的服务请求分离（demultiplex）和事件分发器 （dispatch）给应用程序（I/O模型之三：两种高性能 I/O 设计模式 Reactor 和 Proactor），即通过Selector阻塞等待事件发生，然后再分发给相应的处理器接口。详情可以参考该篇文章或更多的资料。
摘自链接文章中的一幅图如下：
- Reactor是调度中心，包含select()阻塞，等待事件发生，并分发不同的业务处理。
- 客户端请求连接时，select()接收到事件后，会调acceptor，创建连接并与客户端交互。
- 客户端写数据给服务端时，select()接收到事件后，调read操作，读取客户端数据，可以采用线程池对与客户端交互，对数据进行处理。
- 服务端可也以发生数据给客户端。
4.总结
1. SelectableChannel（ServerSocketChannel和SocketChannel）可以注册到Selector中，并用选择键（SelectorKey）进行分装
2. SelectorKey中包含选择器感兴趣的事件（读、写、连接和接收）
3. Selector中select()方法阻塞，直到注册通道有事件发生，可以一个线程监控多个客户端，实现多路复用
4. 基于Selector的多路复用采用Reactor设计模式，使得选择器与业务处理进行分离。
5. Netty是异步基于事件的应用框架，其实现是基于Java NIO的，并对其进行了优化，可以进一步学习。
5. 参考
《Thinking in Enterprise Java》
以上是关于JAVA I/O多路复用IO的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章