Java NIO原理圖文分析及代碼實現

前言: 

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠程過程調用協議，它是一種經過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不須要了解底層網絡技術的協議。能夠參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理（動態代理能夠參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。爲了可以正確地分析hadoop的RPC源碼，我以爲頗有必要先研究一下java NIO的原理和具體實現。

這篇博客我主要從兩個方向來分析java NIO

目錄：
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 

具體分析： 

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：

 

 

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。

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：

 

 

（注：每一個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。）

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：

 

 

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現 

爲了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和客戶端的簡單代碼實現。

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;

	/**
	 * 得到一個ServerSocket通道，並對該通道作一些初始化的工做
	 * @param port  綁定的端口號
	 * @throws IOException
	 */
	public void initServer(int port) throws IOException {
		// 得到一個ServerSocket通道
		ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
		// 設置通道爲非阻塞
		serverChannel.configureBlocking(false);
		// 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口
		serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
		// 得到一個通道管理器
		this.selector = Selector.open();
		//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，
		//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。
		serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
	}

	/**
	 * 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 {
		System.out.println("服務端啓動成功！");
		// 輪詢訪問selector
		while (true) {
			//當註冊的事件到達時，方法返回；不然,該方法會一直阻塞
			selector.select();
			// 得到selector中選中的項的迭代器，選中的項爲註冊的事件
			Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
			while (ite.hasNext()) {
				SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
				// 刪除已選的key,以防重複處理
				ite.remove();
				// 客戶端請求鏈接事件
				if (key.isAcceptable()) {
					ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
							.channel();
					// 得到和客戶端鏈接的通道
					SocketChannel channel = server.accept();
					// 設置成非阻塞
					channel.configureBlocking(false);

					//在這裏能夠給客戶端發送信息哦
					channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發送了一條信息").getBytes()));
					//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。
					channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
					
					// 得到了可讀的事件
				} else if (key.isReadable()) {
						read(key);
				}

			}

		}
	}
	/**
	 * 處理讀取客戶端發來的信息 的事件
	 * @param key
	 * @throws IOException 
	 */
	public void read(SelectionKey key) throws IOException{
		// 服務器可讀取消息:獲得事件發生的Socket通道
		SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
		// 建立讀取的緩衝區
		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
	}
	
	/**
	 * 啓動服務端測試
	 * @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;

	/**
	 * 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();
	}

}