NIO原理剖析與Netty初步----淺談高性能服務器開發（一）

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    在博主不長的工做經歷中，NIO用的並很少，因爲使用原生的Java NIO編程的複雜性，大多數時候咱們會選擇Netty，mina等開源框架，但理解NIO的原理就不重要了嗎？偏偏相反，理解NIO底層機制是理解這一切的基礎，由此我總結一下當初學習NIO時的筆記，以便後續複習。

     如下是我理解的Java原生NIO開發大體流程:

    

       上圖大體描述的是服務端的NIO操做。

第一步，綁定一個服務的端口

       這與傳統阻塞IO中的ServerSocket相似，沒什麼好說的

第二步，打開通道管理器Selector並在Selector上註冊一個事件

      當註冊的事件發生時，Selector.select()會返回，不然一直阻塞。這一步頗有意思，也是NIO第一個與傳統IO不一樣的地方，NIO經過一個Selector線程能夠管理大量客戶端鏈接，反之傳統IO一個客戶端鏈接進來必須建立一個新的線程爲它服務(固然你可使用鏈接池)，咱們知道線程對服務端來講是十分寶貴的資源，一個服務端進程所包含的線程是有   限的；此外，每一個線程會佔用必定的內存空間，過多的線程可能致使內存溢出，這種狀況下你可能會到想對虛擬機進行調優，好比經過修改參數-Xss限制單個線程大小，但這又可   能致使StackOverFlow；另外，線程調度須要切換上下文，對於操做系統，它須要經過TCB(線程控制塊)來對線程進行調度，過多的上下文切換浪費了CPU時間，下降了系統效     率。

第三步，輪循訪問Selector，當註冊的事件到達時，方法返回

   下面的代碼能夠看到，方法總體是一個死循環，輪詢訪問Selector，發生某些已經註冊在Selector上的事件時，該方法返回。能夠經過selector.selectedKeys獲取發生的事件，

該方法返回的是一個泛型集合Set<SelectionKey>，遍歷這個集合與遍歷普通集合沒有什麼不一樣，這裏咱們經過迭代器迭代的緣由是咱們須要刪除已經處理的Key，避免重複處理：

public void listen() throws IOException {// 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();
　　　　　　　　　//這裏能夠寫咱們本身的處理邏輯
                handle(key);
            }
        }
}

   在第二步時，已經在Selector上註冊了Accept事件，當這裏的selector.select()返回時，表明客戶端已經能夠鏈接了，在handle方法裏能夠處理這個事件：

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    // 客戶端請求鏈接事件
    if (key.isAcceptable()){
      //從Key裏能夠很方便的取到註冊這個事件的Channel

        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);

        logger.info("客戶端已經鏈接！");

        //客戶端鏈接在通道管理器Selector上註冊讀事件

        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

    }
}

    上面的代碼很簡單，咱們經過key獲取到註冊它的那個Channel，在這裏是ServerSocketChannel，經過server.accept()獲取客戶端鏈接，這裏一樣能夠類比到傳統的阻塞

IO，在阻塞IO中咱們能夠經過ServerSocket.accept獲取到socket，惟一不一樣的是，阻塞IO中的accept方法是阻塞操做，而NIO中是非阻塞的。

    固然，僅僅是鏈接到客戶端並無什麼用處，服務端須要有讀寫數據的能力，好比你能夠用NIO實現一個Http服務器(固然最佳實踐使用Netty等框架)。因此咱們須要在Selector

上註冊讀事件，一樣，當讀事件發生時，執行咱們本身的業務邏輯。下面是修改後的代碼：

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    if (key.isAcceptable()){
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel channel = server.accept();
        channel.configureBlocking(false);
        logger.info("客戶端已經鏈接！");
        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
    } else if(key.isReadable()){
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 建立讀取緩衝
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        //讀取到Buffer中
        int read = channel.read(buffer);
        if(read > 0){
            byte[] data = buffer.array();
            String msg = new String(data).trim();
            logger.info("receive msg: {}",msg)
            
            //回寫數據
            ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("OK".getBytes());
            channel.write(outBuffer);
        }else{
            logger.info("client closed!!!");
            key.cancel();
        }
    }
} 

總結

     本文大體講述了使用NIO進行服務器端開發的大體流程，但代碼顯然仍然存在問題，其一是咱們只使用了一個線程執行全部操做，包括接收客戶端鏈接，讀取數據，返回數據，對於這個簡單的Demo來講已經足夠了，但在實際的服務器開發中，例如你想使用NIO開發本身的HTTP服務器，服務器本地須要作大量操做，包括解析用戶請求，根據請求路由到某一個Action執行業務邏輯，這其中又極可能某些數據從數據庫讀取，渲染模板等操做，十分耗時，這無疑又稱爲系統的瓶頸，再者，使用單一線程不能充分利用多核CPU提供的計算能力。下一篇中會看到，在基於Reactor模型的Netty中，會使用一個Boss線程接收客戶端請求，使用多個Worker線程執行具體的業務邏輯。