Java NIO原理圖文分析及代碼實現

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：

 

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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：

 

 

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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();  

    }  

  

}  

 

 

小結： 

終於把動態代理和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 。不過若是對java NIO的理解存在異議的，歡迎一塊兒討論。