Java NIO原理 圖文分析及代碼實現

原文出處：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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?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，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。可以參考：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（動態代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774?）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下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通信模型
???? 2. java NIO原理及通信模型
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通信模型?

假如現在你對阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞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）才會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端連接才會返回，每個客戶端連接過來后，服務端都會啟動一個線程去處理該客戶端的請求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：

?

?

如果你細細分析，一定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通信模型，我總結了它的兩點缺點：
1. 當客戶端多時，會創建大量的處理線程。且每個線程都要占用棧空間和一些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可能是無意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2.?java NIO原理及通信模型?

Java NIO是在jdk1.4開始使用的，它既可以說成“新I/O”，也可以說成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

1. 由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發。?
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. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的線程切換。?

閱讀過一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

?

?

（注：每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的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實現的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

?

事件名對應值
服務端接收客戶端連接事件SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務端事件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，我們稱之為selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端為例，如果服務端的selector上注冊了讀事件，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，如果訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，如果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為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：

?

?

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現?

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和客戶端的簡單代碼實現。

服務端：

?

Java代碼??收藏代碼
  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. ?????*?獲得一個ServerSocket通道，并對該通道做一些初始化的工作?
  22. ?????*?@param?port??綁定的端口號?
  23. ?????*?@throws?IOException?
  24. ?????*/??
  25. ????public?void?initServer(int?port)?throws?IOException?{??
  26. ????????//?獲得一個ServerSocket通道??
  27. ????????ServerSocketChannel?serverChannel?=?ServerSocketChannel.open();??
  28. ????????//?設置通道為非阻塞??
  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. ????????//?獲得一個通道管理器??
  33. ????????this.selector?=?Selector.open();??
  34. ????????//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊該事件后，??
  35. ????????//當該事件到達時，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。??
  36. ????????serverChannel.register(selector,?SelectionKey.OP_ACCEPT);??
  37. ????}??
  38. ??
  39. ????/**?
  40. ?????*?采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理?
  41. ?????*?@throws?IOException?
  42. ?????*/??
  43. ????@SuppressWarnings("unchecked")??
  44. ????public?void?listen()?throws?IOException?{??
  45. ????????System.out.println("服務端啟動成功！");??
  46. ????????//?輪詢訪問selector??
  47. ????????while?(true)?{??
  48. ????????????//當注冊的事件到達時，方法返回；否則,該方法會一直阻塞??
  49. ????????????selector.select();??
  50. ????????????//?獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為注冊的事件??
  51. ????????????Iterator?ite?=?this.selector.selectedKeys().iterator();??
  52. ????????????while?(ite.hasNext())?{??
  53. ????????????????SelectionKey?key?=?(SelectionKey)?ite.next();??
  54. ????????????????//?刪除已選的key,以防重復處理??
  55. ????????????????ite.remove();??
  56. ????????????????//?客戶端請求連接事件??
  57. ????????????????if?(key.isAcceptable())?{??
  58. ????????????????????ServerSocketChannel?server?=?(ServerSocketChannel)?key??
  59. ????????????????????????????.channel();??
  60. ????????????????????//?獲得和客戶端連接的通道??
  61. ????????????????????SocketChannel?channel?=?server.accept();??
  62. ????????????????????//?設置成非阻塞??
  63. ????????????????????channel.configureBlocking(false);??
  64. ??
  65. ????????????????????//在這里可以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. ????????????????????//在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設置讀的權限。??
  68. ????????????????????channel.register(this.selector,?SelectionKey.OP_READ);??
  69. ??????????????????????
  70. ????????????????????//?獲得了可讀的事件??
  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:得到事件發生的Socket通道??
  86. ????????SocketChannel?channel?=?(SocketChannel)?key.channel();??
  87. ????????//?創建讀取的緩沖區??
  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. ?????*?啟動服務端測試?
  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：

?

?

Java代碼??收藏代碼
  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.SocketChannel;??
  9. import?java.util.Iterator;??
  10. ??
  11. /**?
  12. ?*?NIO客戶端?
  13. ?*?@author?小路?
  14. ?*/??
  15. public?class?NIOClient?{??
  16. ????//通道管理器??
  17. ????private?Selector?selector;??
  18. ??
  19. ????/**?
  20. ?????*?獲得一個Socket通道，并對該通道做一些初始化的工作?
  21. ?????*?@param?ip?連接的服務器的ip?
  22. ?????*?@param?port??連接的服務器的端口號??????????
  23. ?????*?@throws?IOException?
  24. ?????*/??
  25. ????public?void?initClient(String?ip,int?port)?throws?IOException?{??
  26. ????????//?獲得一個Socket通道??
  27. ????????SocketChannel?channel?=?SocketChannel.open();??
  28. ????????//?設置通道為非阻塞??
  29. ????????channel.configureBlocking(false);??
  30. ????????//?獲得一個通道管理器??
  31. ????????this.selector?=?Selector.open();??
  32. ??????????
  33. ????????//?客戶端連接服務器,其實方法執行并沒有實現連接，需要在listen（）方法中調??
  34. ????????//用channel.finishConnect();才能完成連接??
  35. ????????channel.connect(new?InetSocketAddress(ip,port));??
  36. ????????//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。??
  37. ????????channel.register(selector,?SelectionKey.OP_CONNECT);??
  38. ????}??
  39. ??
  40. ????/**?
  41. ?????*?采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理?
  42. ?????*?@throws?IOException?
  43. ?????*/??
  44. ????@SuppressWarnings("unchecked")??
  45. ????public?void?listen()?throws?IOException?{??
  46. ????????//?輪詢訪問selector??
  47. ????????while?(true)?{??
  48. ????????????selector.select();??
  49. ????????????//?獲得selector中選中的項的迭代器??
  50. ????????????Iterator?ite?=?this.selector.selectedKeys().iterator();??
  51. ????????????while?(ite.hasNext())?{??
  52. ????????????????SelectionKey?key?=?(SelectionKey)?ite.next();??
  53. ????????????????//?刪除已選的key,以防重復處理??
  54. ????????????????ite.remove();??
  55. ????????????????//?連接事件發生??
  56. ????????????????if?(key.isConnectable())?{??
  57. ????????????????????SocketChannel?channel?=?(SocketChannel)?key??
  58. ????????????????????????????.channel();??
  59. ????????????????????//?如果正在連接，則完成連接??
  60. ????????????????????if(channel.isConnectionPending()){??
  61. ????????????????????????channel.finishConnect();??
  62. ??????????????????????????
  63. ????????????????????}??
  64. ????????????????????//?設置成非阻塞??
  65. ????????????????????channel.configureBlocking(false);??
  66. ??
  67. ????????????????????//在這里可以給服務端發送信息哦??
  68. ????????????????????channel.write(ByteBuffer.wrap(new?String("向服務端發送了一條信息").getBytes()));??
  69. ????????????????????//在和服務端連接成功之后，為了可以接收到服務端的信息，需要給通道設置讀的權限。??
  70. ????????????????????channel.register(this.selector,?SelectionKey.OP_READ);??
  71. ??????????????????????
  72. ????????????????????//?獲得了可讀的事件??
  73. ????????????????}?else?if?(key.isReadable())?{??
  74. ????????????????????????read(key);??
  75. ????????????????}??
  76. ??
  77. ????????????}??
  78. ??
  79. ????????}??
  80. ????}??
  81. ????/**?
  82. ?????*?處理讀取服務端發來的信息?的事件?
  83. ?????*?@param?key?
  84. ?????*?@throws?IOException??
  85. ?????*/??
  86. ????public?void?read(SelectionKey?key)?throws?IOException{??
  87. ????????//和服務端的read方法一樣??
  88. ????}??
  89. ??????
  90. ??????
  91. ????/**?
  92. ?????*?啟動客戶端測試?
  93. ?????*?@throws?IOException??
  94. ?????*/??
  95. ????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{??
  96. ????????NIOClient?client?=?new?NIOClient();??
  97. ????????client.initClient("localhost",8000);??
  98. ????????client.listen();??
  99. ????}??
  100. ??
  101. }??

?

?

小結：?

終于把動態代理和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?。不過如果對java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。




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