NIO深入淺出

背景

java.nio全稱java non-blocking IO先匪，是指jdk1.4 及以上版本里提供的新api（New IO） 敷钾，為所有的原始類型（boolean類型除外）提供緩存支持的數(shù)據(jù)容器，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網絡。

概述

底層原理：

1. 由一個專門的線程（selector線程）來處理所有的 IO 事件，并負責分發(fā)司蔬。?

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)視事件姨蝴。?

3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊俊啼。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的線程切換左医。?

IO模型：

多路復用IO模型

多路復用IO是在同步非阻塞IO基礎上優(yōu)化而來授帕，在同步非阻塞的情況下，用戶線程需要輪訓的請求浮梢，來獲取返回的數(shù)據(jù)跛十，而多路復用模式這個輪訓操作交給了selector（選擇器），selector會一直阻塞秕硝，直到有scoket返回芥映，而且一個selector可以監(jiān)聽多個IO事件。

重要成員：

1.Channel(通道)

NIO中的Channel的主要實現(xiàn)有：

FileChannel

DatagramChannel

SocketChannel

ServerSocketChannel

2.Buffer(緩沖區(qū))

緩沖區(qū)缝裤，實際上是一個容器屏轰，一個連續(xù)數(shù)組颊郎。Channel提供從文件憋飞、網絡讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀寫的數(shù)據(jù)都必須經過Buffer姆吭。NIO中的關鍵Buffer實現(xiàn)有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer榛做，分別對應基本數(shù)據(jù)類型: byte, char, double, float, int, long, short。當然NIO中還有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等内狸。這里介紹一下MappedByteBuffer检眯，MappedByteBuffer是NIO引入的文件內存映射方案，讀寫性能極高昆淡。NIO最主要的就是實現(xiàn)了對異步操作的支持锰瘸。其中一種通過把一個套接字通道(SocketChannel)注冊到一個選擇器(Selector)中,不時調用后者的選擇(select)方法就能返回滿足的選擇鍵(SelectionKey),鍵中包含了SOCKET事件信息。這就是select模型昂灵。

SocketChannel的讀寫是通過一個類叫ByteBuffer來操作的.這個類本身的設計是不錯的,比直接操作byte[]方便多了. ByteBuffer有兩種模式:直接/間接.間接模式最典型(也只有這么一種)的就是HeapByteBuffer,即操作堆內存 (byte[]).但是內存畢竟有限,如果我要發(fā)送一個1G的文件怎么辦?不可能真的去分配1G的內存.這時就必須使用”直接”模式,即 MappedByteBuffer,文件映射.

下面我們看看NIO讀取數(shù)據(jù)的模式：寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)都會先寫入buffer然后再channel再從buffer讀避凝，然后channel再寫入buffer，server從buffer中取


方法調用：

向Buffer中寫數(shù)據(jù)：

從Channel寫到Buffer (fileChannel.read(buf))

通過Buffer的put()方法 （buf.put(…)）

從Buffer中讀取數(shù)據(jù)：

從Buffer讀取到Channel (channel.write(buf))

使用get()方法從Buffer中讀取數(shù)據(jù) （buf.get()）

Buffer數(shù)組結構：

capacity數(shù)組長度眨补，position下一個需要處理的數(shù)據(jù)下標管削，limit數(shù)組中不可操作的下一個數(shù)據(jù)的位置，mark用于記錄當前position的位置

3.Selector

Selector運行單線程處理多個Channel撑螺，如果你的應用打開了多個通道含思，但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便

方法調用：

Selector的創(chuàng)建：

Selector selector = Selector.open();

selector?.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));

?selector?.configureBlocking(false);

?selector?.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

注意register()方法的第二個參數(shù)。這是一個“interest集合”含潘，意思是在通過Selector監(jiān)聽Channel時對什么事件感興趣饲做。可以監(jiān)聽四種不同類型的事件遏弱，這四種事件用SelectionKey的四個常量來表示：

SelectionKey.OP_CONNECT

SelectionKey.OP_ACCEPT

SelectionKey.OP_READ

SelectionKey.OP_WRITE

可以用像檢測interest集合那樣的方法艇炎，來檢測channel中什么事件或操作已經就緒。但是腾窝，也可以使用以下四個方法缀踪，它們都會返回一個布爾類型：

selectionKey.isAcceptable();

selectionKey.isConnectable();

selectionKey.isReadable();

selectionKey.isWritable();

從SelectionKey訪問Channel和Selector很簡單。如下：

Channel ?channel ?= selectionKey.channel();

Selector selector = selectionKey.selector();

下面是select()方法：

int select()

int select(long timeout)

int selectNow()

select()阻塞到至少有一個通道在你注冊的事件上就緒了虹脯。

select(long timeout)和select()一樣驴娃，除了最長會阻塞timeout毫秒(參數(shù))。

selectNow()不會阻塞循集，不管什么通道就緒都立刻返回（譯者注：此方法執(zhí)行非阻塞的選擇操作唇敞。如果自從前一次選擇操作后，沒有通道變成可選擇的咒彤，則此方法直接返回零疆柔。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已經就緒镶柱。亦即旷档，自上次調用select()方法后有多少通道變成就緒狀態(tài)。如果調用select()方法歇拆，因為有一個通道變成就緒狀態(tài)鞋屈，返回了1，若再次調用select()方法故觅，如果另一個通道就緒了厂庇，它會再次返回1。如果對第一個就緒的channel沒有做任何操作输吏，現(xiàn)在就有兩個就緒的通道权旷，但在每次select()方法調用之間，只有一個通道就緒了贯溅。

一旦調用了select()方法拄氯，并且返回值表明有一個或更多個通道就緒了，然后可以通過調用selector的selectedKeys()方法盗迟，訪問“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道坤邪。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

當像Selector注冊Channel時，Channel.register()方法會返回一個SelectionKey 對象罚缕。這個對象代表了注冊到該Selector的通道艇纺。可以通過SelectionKey的selectedKeySet()方法訪問這些對象。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()調用黔衡。Selector不會自己從已選擇鍵集中移除SelectionKey實例蚓聘。必須在處理完通道時自己移除。下次該通道變成就緒時盟劫，Selector會再次將其放入已選擇鍵集中夜牡。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要轉型成你要處理的類型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等侣签。

最后上代碼：

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

*/?

public class NIOServer {?

? ? //通道管理器?

? ? private Selector selector;?

? ? /**

? ? * 獲得一個ServerSocket通道塘装，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,注冊該事件后影所，?

? ? ? ? //當該事件到達時蹦肴，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞猴娩。?

? ? ? ? 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阴幌，如果有，則進行處理

? ? * @throws IOException

? ? */?

? ? @SuppressWarnings("unchecked")?

? ? public void listen() throws IOException {?

? ? ? ? System.out.println("服務端啟動成功卷中！");?

? ? ? ? // 輪詢訪問selector?

? ? ? ? while (true) {?

? ? ? ? ? ? //當注冊的事件到達時矛双，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蟆豫，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议忽，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設置讀的權限无埃。?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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();?

? ? }?


}?

/**

* NIO客戶端

*/?

public class NIOClient {?

? ? //通道管理器?

? ? private Selector selector;?


? ? /**

? ? * 獲得一個Socket通道徙瓶，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)連接毛雇，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嫉称，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灵疮，如果有织阅，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震捣，為了可以接收到服務端的信息荔棉，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();?

? ? }?

?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯(lián)系作者
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