Java NIO原理圖文分析及代碼實現(xiàn)

更新時間：2016年09月08日 10:10:25 作者：逸情公子

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(xié)議，它是一種通過網(wǎng)絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網(wǎng)絡技術的協(xié)議?？梢詤⒖迹?a >http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發(fā)現(xiàn)hadoop的RPC機制的實現(xiàn)主要用到了兩個技術：動態(tài)代理（動態(tài)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(xiàn)。

這篇博客我主要從兩個方向來分析java NIO

一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)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(xiàn)

具體分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現(xiàn)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(shù)據(jù)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：

如果你細細分析，一定會發(fā)現(xiàn)阻塞I/O存在一些缺點。根據(jù)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(chuàng)建大量的處理線程。且每個線程都要占用?？臻g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(fā)。
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)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：

（注：每個線程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計算處理、編碼、發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)送了一些數(shù)據(jù)，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)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：

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現(xiàn)

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(xiàn)。

服務端：

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(jiān)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(fā)送信息哦 
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發(fā)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(fā)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(fā)生的Socket通道 
  SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); 
  // 創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū) 
  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：

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(zhí)行并沒有實現(xiàn)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(jiān)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(fā)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(fā)送信息哦 
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發(fā)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(fā)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(tài)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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