Java NIO使用及原理分析

Posted 2023-02-22 李晓娜

　在上一篇文章中介绍了关于缓冲区的一些细节内容，现在终于可以进入NIO中最有意思的部分非阻塞I/O。通常在进行同步I/O操作时，如果读取数据，代码会阻塞直至有 可供读取的数据。同样，写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR（Thread per Request）,服务器会为每个客户端请求建立一个线程，由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增，大量的线程会增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这由带来了新的问题，如果线程池中有200个线程，而有200个用户都在进行大文件下载，会导致第201个用户的请求无法及时处理，即便第201个用户只想请求一个几KB大小的页面。传统的 Server/Client模式如下图所示：

　NIO中非阻塞I/O采用了基于Reactor模式的工作方式，I/O调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特定I/O事件，如可读数据到达，新的套接字连接等等，在发生特定事件时，系统再通知我们。NIO中实现非阻塞I/O的核心对象就是Selector，Selector就是注册各种I/O事件地 方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件，如下图所示：

　从图中可以看出，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。关于 SelectableChannel的可以参考Java NIO使用及原理分析（一）

　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

　接下来我们用一个简单的示例来说明整个过程。首先是向Selector对象注册感兴趣的事件：

[java] view plain copy  print?

1. /* 
2.  * 注册事件 
3.  * */  
4. protected Selector getSelector() throws IOException   
5.     // 创建Selector对象  
6.     Selector sel = Selector.open();  
7.       
8.     // 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式  
9.     ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();  
10.     server.configureBlocking(false);  
11.       
12.     // 绑定通道到指定端口  
13.     ServerSocket socket = server.socket();  
14.     InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);  
15.     socket.bind(address);  
16.       
17.     // 向Selector中注册感兴趣的事件  
18.     server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);   
19.     return sel;  
20.   

　创建了ServerSocketChannel对象，并调用configureBlocking()方法，配置为非阻塞模式，接下来的三行代码把该通道绑定到指定端口，最后向Selector中注册事件，此处指定的是参数是OP_ACCEPT，即指定我们想要监听accept事件，也就是新的连接发 生时所产生的事件，对于ServerSocketChannel通道来说，我们唯一可以指定的参数就是OP_ACCEPT。

　从Selector中获取感兴趣的事件，即开始监听，进入内部循环：

[java] view plain copy  print?

1. /* 
2.  * 开始监听 
3.  * */   
4. public void listen()    
5.     System.out.println("listen on " + port);  
6.     try    
7.         while(true)    
8.             // 该调用会阻塞，直到至少有一个事件发生  
9.             selector.select();   
10.             Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
11.             Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();  
12.             while (iter.hasNext())    
13.                 SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();   
14.                 iter.remove();   
15.                 process(key);   
16.                
17.            
18.      catch (IOException e)    
19.         e.printStackTrace();  
20.        
21.   

　在非阻塞I/O中，内部循环模式基本都是遵循这种方式。首先调用select()方法，该方法会阻塞，直到至少有一个事件发生，然后再使用selectedKeys()方法获取发生事件的SelectionKey，再使用迭代器进行循环。

　最后一步就是根据不同的事件，编写相应的处理代码：

[java] view plain copy  print?

1. /* 
2.  * 根据不同的事件做处理 
3.  * */  
4. protected void process(SelectionKey key) throws IOException  
5.     // 接收请求  
6.     if (key.isAcceptable())   
7.         ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();  
8.         SocketChannel channel = server.accept();  
9.         channel.configureBlocking(false);  
10.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
11.       
12.     // 读信息  
13.     else if (key.isReadable())   
14.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
15.         int count = channel.read(buffer);   
16.         if (count > 0)    
17.             buffer.flip();   
18.             CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);   
19.             name = charBuffer.toString();   
20.             SelectionKey sKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);   
21.             sKey.attach(name);   
22.          else    
23.             channel.close();   
24.            
25.         buffer.clear();   
26.       
27.     // 写事件  
28.     else if (key.isWritable())   
29.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
30.         String name = (String) key.attachment();   
31.           
32.         ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));   
33.         if(block != null)  
34.           
35.             channel.write(block);  
36.           
37.         else  
38.           
39.             channel.close();  
40.           
41.   
42.        
43.   

　此处分别判断是接受请求、读数据还是写事件，分别作不同的处理。

　到这里关于Java NIO使用及原理分析的四篇文章就全部完成了。Java NIO提供了通道、缓冲区、选择器这样一组抽象概念，极大的简化了我们编写高性能并发型服务器程序，后面有机会我会继续谈谈使用Java NIO的一些想法。