Java NIO使用及原理分析 来自网上资料整理

Posted 2020-08-04

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：

 

    /* 
     * 注册事件 
     * */  
    protected Selector getSelector() throws IOException {  
        // 创建Selector对象  
        Selector sel = Selector.open();  
          
        // 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式  
        ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();  
        server.configureBlocking(false);  
          
        // 绑定通道到指定端口  
        ServerSocket socket = server.socket();  
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);  
        socket.bind(address);  
          
        // 向Selector中注册感兴趣的事件  
        server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);   
        return sel;  
    }  

 

 

 

 

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：

 

/* 
 * 开始监听 
 * */   
public void listen() {   
    System.out.println("listen on " + port);  
    try {   
        while(true) {   
            // 该调用会阻塞，直到至少有一个事件发生  
            selector.select();   
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
            Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();  
            while (iter.hasNext()) {   
                SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();   
                iter.remove();   
                process(key);   
            }   
        }   
    } catch (IOException e) {   
        e.printStackTrace();  
    }   
} 

 

 

 

 

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：

 

/* 
 * 根据不同的事件做处理 
 * */  
protected void process(SelectionKey key) throws IOException{  
    // 接收请求  
    if (key.isAcceptable()) {  
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();  
        SocketChannel channel = server.accept();  
        channel.configureBlocking(false);  
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
    }  
    // 读信息  
    else if (key.isReadable()) {  
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
        int count = channel.read(buffer);   
        if (count > 0) {   
            buffer.flip();   
            CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);   
            name = charBuffer.toString();   
            SelectionKey sKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);   
            sKey.attach(name);   
        } else {   
            channel.close();   
        }   
        buffer.clear();   
    }  
    // 写事件  
    else if (key.isWritable()) {  
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
        String name = (String) key.attachment();   
          
        ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));   
        if(block != null)  
        {  
            channel.write(block);  
        }  
        else  
        {  
            channel.close();  
        }  
  
     }  
} 

 

 

 

 

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。