Java NIO--初步認識

時間 2019-12-02

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：java

一．java NIO 和阻塞I/O的區別
1. 阻塞I/O通訊模型
2. java NIO原理及通訊模型
二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

一．java NIO 和阻塞I/O的區別

1. 阻塞I/O通訊模型

假如如今你對阻塞I/O已有了必定了解，咱們知道阻塞I/O在調用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到數據到來時（或超時）纔會返回；一樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端鏈接纔會返回，每一個客戶端鏈接過來後，服務端都會啓動一個線程去處理該客戶端的請求。阻塞I/O的通訊模型示意圖以下：
具體分析： 服務器

若是你細細分析，必定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通訊模型，我總結了它的兩點缺點：
1. 當客戶端多時，會建立大量的處理線程。且每一個線程都要佔用棧空間和一些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多是無心義的。
socket

以上是原做者的看法，下面是鄙人的認識：測試

BIO ：this

　　一、用戶應用程序進行系統調用，spa

　　二、用戶應用程序就一直處於等待狀態。.net

　　三、內核中首先要等待從磁盤某個位置返回數據。線程

　　四、數據準備好了以後，開始將數據拷貝到內核中code

　　五、再將數據從內核中拷貝至應用程序，至此應用才能給使用數據。server

在這種狀況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2. java NIO原理及通訊模型

Java NIO是在jdk1.4開始使用的，它既能夠說成「新I/O」，也能夠說成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工做原理：

1. 由一個專門的線程來處理全部的 IO 事件，並負責分發。
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。
3. 線程通信：線程之間經過 wait,notify 等方式通信。保證每次上下文切換都是有意義的。減小無謂的線程切換。

閱讀過一些資料以後，下面貼出我理解的java NIO的工做原理圖：

　　與BIO不一樣的是，此次用戶程序仍然在等待數據，可是不會出現線程的阻塞，而是不斷地對內核發起詢問請求，在這段時間以內用戶程序能夠作其餘的事情，知道內核將數據準備完畢。

Java NIO的服務端只需啓動一個專門的線程來處理全部的 IO 事件，這種通訊模型是怎麼實現的呢？呵呵，咱們一塊兒來探究它的奧祕吧。java NIO採用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上能夠註冊咱們感興趣的事件。一共有如下四種事件：

事件名	對應值
服務端接收客戶端鏈接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端鏈接服務端事件	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，咱們稱之爲selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。咱們以服務端爲例，若是服務端的selector上註冊了讀事件，某時刻客戶端給服務端發送了一些數據，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取數據，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，若是訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，若是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爲止。下面是我理解的java NIO的通訊模型示意圖：

  1 package cn.nio;
  2 
  3 import java.io.IOException;
  4 import java.net.InetSocketAddress;
  5 import java.nio.ByteBuffer;
  6 import java.nio.channels.SelectionKey;
  7 import java.nio.channels.Selector;
  8 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
  9 import java.nio.channels.SocketChannel;
 10 import java.util.Iterator;
 11 
 12 /**
 13  * NIO服務端
 14  * @author 小路
 15  */
 16 public class NIOServer {
 17     //通道管理器
 18     private Selector selector;
 19 
 20     /**
 21      * 得到一個ServerSocket通道，並對該通道作一些初始化的工做
 22      * @param port  綁定的端口號
 23      * @throws IOException
 24      */
 25     public void initServer(int port) throws IOException {
 26         // 得到一個ServerSocket通道
 27         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
 28         // 設置通道爲非阻塞
 29         serverChannel.configureBlocking(false);
 30         // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口
 31         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
 32         // 得到一個通道管理器
 33         this.selector = Selector.open();
 34         //將通道管理器和該通道綁定，併爲該通道註冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,註冊該事件後，
 35         //當該事件到達時，selector.select()會返回，若是該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。
 36         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 37     }
 38 
 39     /**
 40      * 採用輪詢的方式監聽selector上是否有須要處理的事件，若是有，則進行處理
 41      * @throws IOException
 42      */
 43     @SuppressWarnings("unchecked")
 44     public void listen() throws IOException {
 45         System.out.println("服務端啓動成功！");
 46         // 輪詢訪問selector
 47         while (true) {
 48             //當註冊的事件到達時，方法返回；不然,該方法會一直阻塞
 49             selector.select();
 50             // 得到selector中選中的項的迭代器，選中的項爲註冊的事件
 51             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
 52             while (ite.hasNext()) {
 53                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
 54                 // 刪除已選的key,以防重複處理
 55                 ite.remove();
 56                 // 客戶端請求鏈接事件
 57                 if (key.isAcceptable()) {
 58                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
 59                             .channel();
 60                     // 得到和客戶端鏈接的通道
 61                     SocketChannel channel = server.accept();
 62                     // 設置成非阻塞
 63                     channel.configureBlocking(false);
 64 
 65                     //在這裏能夠給客戶端發送信息哦
 66                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發送了一條信息").getBytes()));
 67                     //在和客戶端鏈接成功以後，爲了能夠接收到客戶端的信息，須要給通道設置讀的權限。
 68                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
 69                     
 70                     // 得到了可讀的事件
 71                 } else if (key.isReadable()) {
 72                         read(key);
 73                 }
 74 
 75             }
 76 
 77         }
 78     }
 79     /**
 80      * 處理讀取客戶端發來的信息 的事件
 81      * @param key
 82      * @throws IOException 
 83      */
 84     public void read(SelectionKey key) throws IOException{
 85         // 服務器可讀取消息:獲得事件發生的Socket通道
 86         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
 87         // 建立讀取的緩衝區
 88         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
 89         channel.read(buffer);
 90         byte[] data = buffer.array();
 91         String msg = new String(data).trim();
 92         System.out.println("服務端收到信息："+msg);
 93         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
 94         channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端
 95     }
 96     
 97     /**
 98      * 啓動服務端測試
 99      * @throws IOException 
100      */
101     public static void main(String[] args) throws IOException {
102         NIOServer server = new NIOServer();
103         server.initServer(8000);
104         server.listen();
105     }
106 
107 }

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;

    /**
     * 得到一個Socket通道，並對該通道作一些初始化的工做
     * @param ip 鏈接的服務器的ip
     * @param port  鏈接的服務器的端口號         
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
        // 得到一個Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 設置通道爲非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 得到一個通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        
        // 客戶端鏈接服務器,其實方法執行並無實現鏈接，須要在listen（）方法中調
        //用channel.finishConnect();才能完成鏈接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
        //將通道管理器和該通道綁定，併爲該通道註冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 採用輪詢的方式監聽selector上是否有須要處理的事件，若是有，則進行處理
     * @throws IOException
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void listen() throws IOException {
        // 輪詢訪問selector
        while (true) {
            selector.select();
            // 得到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,以防重複處理
                ite.remove();
                // 鏈接事件發生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key
                            .channel();
                    // 若是正在鏈接，則完成鏈接
                    if(channel.isConnectionPending()){
                        channel.finishConnect();
                        
                    }
                    // 設置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在這裏能夠給服務端發送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發送了一條信息").getBytes()));
                    //在和服務端鏈接成功以後，爲了能夠接收到服務端的信息，須要給通道設置讀的權限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
                    
                    // 得到了可讀的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                        read(key);
                }

            }

        }
    }
    /**
     * 處理讀取服務端發來的信息 的事件
     * @param key
     * @throws IOException 
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        //和服務端的read方法同樣
    }
    
    
    /**
     * 啓動客戶端測試
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost",8000);
        client.listen();
    }

}