Deep Dive 3 - NIO

Posted erixhao

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Deep Dive 3 - NIO相关的知识，希望对你有一定的参考价值。


我们来继续80后Deep Dive 3 - NIO。


Java NIO(New IO)是Java 1.4中引入的，时间的话已经是2002年了，确实久远。NIO的全称是New IO，作者偷懒就直接称之为NIO， 反而听起来酷酷的。


1. NIO 之父


老样子，我们先看看NIO的作者，NIO之父Mark Reinhold。


Mark大叔毕业于MIT Ph.D.，老SUN员工了。大叔1996年加入Sun，一待就是13年，全心开发Java，后来Oracle于2010年收购SUN，被迫变成Oracle员工，担任Java首席架构师一直到现在，说白了一直从事Java开发19年了，不对是“一直开发Java19年”， 区别大了。

大牛有一段自我介绍中提及了Sun，很有意思, 只可意会。

Prior to working at Oracle I did much the same thing at Sun Microsystems, a great company which was too lucky for its own good during the boom years and subsequently driven into the ground by a false prophet who was long on vision and short on execution.

http://mreinhold.org/

不小心故意瞅了一眼大师的朋友圈，好家伙，果然大师的朋友圈都是大神。


看到第一个了么？Java之父啊。没个XXO头衔都不好意思加好友。


2. NIO 概述



可以看出NIO核心主要提供了Channel与Buffer，以及隐含在包中的异步IO与Selector。


  • Channel与Buffer ： 标准的IO是基于字节流与字符流操作的， 而NIO是基于Channel通道与Buffer缓冲区的。
  • Non-Blocking IO  ： NIO可以做到非阻塞IO（除文件IO），如线程可以Channel读取数据到Buffer， 同时还可以并行做其他事情；当数据写入缓冲区后可以继续；
  • Selector ：选择器Selector可以用来监听多个事件，如单个线程监听多个数据通道等。

2.1 Channel


Channel接口定义很清爽，少到几乎不看注视不知道干嘛。好吧，注释有云：Channel代表了与一个实体对象entity的连接，如文件，网络socket, 甚至硬件设备等。

大体来说，Channel的目的是为其子类及实现支持并发多线程访问的安全环境。Channel有点类似我们熟悉的流，数据可以与Buffer进行双向交互。

如图：（图来自jenkov.com/）


主要实现有以下类涵盖了文件，TCP, UDP．

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel


2.2 Buffer


Buffer简单来说是一块可被读写的内存数据块，封装成Buffer对象用来交互。


Buffer根据数据类型又分成如上几种。Buffer有几个核心属性我们需要了解一下。

上图：


首先，Buffer区分读模式与写模式。


  • Capacity 即其Buffer的总容量；单位为当前数据类型，如1024 capacity long数据。可以在其满了以后，清空(读数据/清除)。
  • Position　请看图即可；No? 写模式就是当前写的位置，初始为0, 并随着数据的写入而动态变化；通过flip切换到读模式时，首先重置0，当读取数据时，position会动态移动到下一个可读位置。
  • Limit  　　写模式下表示最多能写多少数据，等于capacity；切换到读模式后，limit会设置成为写模式的position位置，即可以读到之前写入的所有数据；
  • flip()    将Buffer从写模式切换到读模式，即会将position设为0, 并将limit设置为之前的position值。

Buffer 可以通过allocate方法来分配，　如：

  1. CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);  

看一个简单例子：


稍微提及一下java的基本IO操作模型，以文件copy为例：

  • 开启输入流将文件读入内存：输入数据先进入Kernel区域，再copy到JVM

  • 开启输出流将内存中的数据输出到另一个文件: 先由JVM cop到Kernel再到终端

ByteBuffer

其中ByteBuffer又分为HeapByteBuffer与DirectByteBuffer.



显然，一个是在java堆中分配空间，一个是在c heap中分配空间，即非gc托管，无法进行垃圾回收。所以，c heap的buffer需要手工释放。

所以，按照我们上文提及的基本IO操作模型，direct buffer显然省掉了jvm copy这个过程，速度会加快。

另外，稍微提及一下，Off-Heap Buffer经常用来做大对象缓存, 为什么？ 因为这样可以脱离GC管理，不被垃圾回收掉。


2.2 Non-Blocking iO

Blocking v.s. Non-Blocking:  阻塞IO是在调用某方法时线程是处于阻塞的，它会一直等待数据返回或者超时才返回，如InputStream.read();  ServerSocket.accept(); 说的再细点的话，结合操作模型，程序首先发送请求给内核kernel，然后内核去进行网路通信，如果是read()， 在内核准备好数据前，这个线程一直会被挂起，一直等待。

详细过程如下：


有了上面的铺垫，则对应的非阻塞则好理解了：


一个明显区别就是，当发起第一次call请求后，Non-Blocking的线程并没有被阻塞，但它也没有去做别的事，而是不断的发起call请求去检测等待返回。这样的机制，其实只用一个线程来监听，其它线程都可以去做其他事情, 从而引出了NIO中的selector机制。


Selector选择机制：

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。 


双向通道channel上我们可以注册我们感兴趣的事件：


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)


代码如下：