NIO的原理介绍和Java示例代码

Dear 丶 2022-05-22 09:50 180阅读 0赞

# NIO简介 #

nio 是New IO 的简称，在jdk1.4 里提供的新api 。Sun 官方标榜的特性如下： 为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持。字符集编码解码解决方案。 Channel ：一个新的原始I/O 抽象。 支持锁和内存映射文件的文件访问接口。 提供多路(non-bloking) **非阻塞式**的高伸缩性网络I/O 。

# 传统IO与NIO的区别 #

![这里写图片描述][70]

## 传统的I/O ##

使用传统的I/O程序读取文件内容, 并写入到另一个文件(或Socket), 如下程序:

File.read(fileDesc, buf, len);
    Socket.send(socket, buf, len);

会有较大的性能开销, 主要表现在一下两方面:  
1. 上下文切换(context switch), 此处有4次用户态和内核态的切换  
2. Buffer内存开销, 一个是应用程序buffer, 另一个是系统读取buffer以及socket buffer  
其运行示意图如下  
![这里写图片描述][70 1]  
1) 先将文件内容从磁盘中拷贝到操作系统buffer  
2) 再从操作系统buffer拷贝到程序应用buffer  
3) 从程序buffer拷贝到socket buffer  
4) 从socket buffer拷贝到协议引擎.

## NIO ##

NIO技术省去了将操作系统的read buffer拷贝到程序的buffer, 以及从程序buffer拷贝到socket buffer的步骤, 直接将 read buffer 拷贝到 socket buffer。java 的 `FileChannel.transferTo()` 方法就是这样的实现, 这个实现是依赖于操作系统底层的sendFile()实现的.

public void transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target);

他的底层调用的是系统调用sendFile()方法

sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

如下图  
![这里写图片描述][70 2]  
**nio的优势不在于数据传送的速度，而是性能开销更小。**

# Socket/NIO原理 #

## 阻塞与非阻塞 ##

**阻塞与非阻塞**：阻塞与非阻塞是进程在访问数据的时候，数据内是否准备就绪的一种处理方式。  
当数据没有准备好的时候会出现阻塞和非阻塞两种情况。  
阻塞：往往需要等待缓冲区中的数据准备好之后才能处理其他的事情，否则一直等待在哪里  
非阻塞：当我们的进程访问我们的数据缓冲区的时候，数据没有准备好的时候，直接返回，不需要等待，数据有的时候也直接返回。

## 同步和异步 ##

同步和异步都是基于应用程序和操作系统处理IO事件所采用的方式：  
同步：应用程序要直接参与IO事件的操作；  
异步：所有的IO读写事件交给操作系统去处理；

同步的方式在处理IO事件的时候，必须阻塞在某个方法上面等待我们的IO事件完成（阻塞在IO事件或者通过轮询IO事件的方式）了对于异步来说，所有的IO读写操作都交给操作系统，这个时间，我们可以去做其他的时间，并不需要去完成真正的IO操作。当操作系统完成IO之后，给我们的应用程序一个通知就可以了。

同步有两种实现模式：  
1.阻塞到IO事件，阻塞到read或者write方法上，这个时候我们就完全不能做自己的事情（在这种情况下，我们只能把读写方法放置到线程中，然后阻塞线程的方式来实现并发服务，对线程的性能开销比较大）

2.IO事件的轮询 ——在linux C语言编程中叫做多路复用技术（select模式）  
读写事件交给一个专门的线程去处理，这个线程完成IO事件的注册功能，还有就是不断地去轮询我们的读写缓冲区（操作系统），看是否有数据准备好，然后通知我们的相应的业务去处理线程。这样的话，我们的业务线程就可以去做其他的事情。在这种模式下，阻塞的不是所有的IO线程，而是阻塞的只是select线程。  
![这里写图片描述][70 3]

# NIO的三大核心 #

**NIO三大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）**  
**Buffer**：容器对象， 包含一些要写入或者读出的数据。在NIO库，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入缓冲区中。任何时候访问NIO的数据，都是通过缓冲区信息操作。  
**Channel**：通道对象，对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以同于读、写和同时读写操作。Channel不会直接处理字节数据，而是通过Buffer对象来处理数据。  
**Selector**：多路复用器，选择器。提供选择已经就绪的任务的能力。Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发送读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，进行后续的I/O操作。这样服务器只需要一两个线程就可以进行多客户端通信。  
![这里写图片描述][70 4]

# NIO的Java代码实现 #

服务端：

package cn.itcast.bigdata.nio;
    
    import java.io.IOException;
    
    public class TimeServer { 
    
        /** * @param args * @throws IOException * @author blackcoder */
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length<0) {
            try {
            port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
            // 采用默认值
            }
        }
        MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
        new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
        }
    }

package cn.itcast.bigdata.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;
    import java.util.Set;
    
    public class MultiplexerTimeServer implements Runnable { 
    
        private Selector selector;
    
        private ServerSocketChannel servChannel;
    
        private volatile boolean stop;
    
        /** * 初始化多路复用器、绑定监听端口 * * @param port */
        public MultiplexerTimeServer(int port) {
        try {
            //打开一个多路复用器
            selector = Selector.open();
            //创建一个socket channel：channel是nio中对通信通道的抽象，部分入站出站方向
            servChannel = ServerSocketChannel.open();
            //设置通道为非阻塞
            servChannel.configureBlocking(false);
            //将通道绑定在服务器的ip地址和某个端口上
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);
            //将上面创建好的socket channel注册到selector多路复用器上
            //对于服务端来说，一定要先注册一个OP_ACCEPT事件用来响应客户端的请求连接
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("The time server is start in port : " + port);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        }
    
        public void stop() {
        this.stop = true;
        }
    
        /* * (non-Javadoc) * * @see java.lang.Runnable#run() */
        @Override
        public void run() {
        while (!stop) {
            try {
            //去询问一次selector选择器
            selector.select(1000);
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
            SelectionKey key = null;
            while (it.hasNext()) {
                //遍历到一个事件key
                key = it.next();
                it.remove();//确保不重复处理
                try {
                    //处理事件
                handleInput(key);
                } catch (Exception e) {
                if (key != null) {
                    key.cancel();
                    if (key.channel() != null)
                    key.channel().close();
                }
                }
            }
            } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            }
        }
    
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null)
            try {
            selector.close();
            } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            }
        }
    
        private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
    
        if (key.isValid()) {
            // 处理新接入的请求消息
            if (key.isAcceptable()) {
            // Accept the new connection
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel sc = ssc.accept();//接受连接请求
            sc.configureBlocking(false);
            // Add the new connection to the selector
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            if (key.isReadable()) {
            // Read the data
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //当客户端channel关闭之后，会不断受到read事件，但没有消息，即read方法返回-1
            //所以这时服务器也需要关闭channel，避免无限处理
            int readBytes = sc.read(readBuffer);
            if (readBytes > 0) {
                //一定需要调用flip函数，否则读取错误数据
                //简单来说，flip操作就是让读写指针、limit指针复位到正确的位置
                readBuffer.flip();
                byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                readBuffer.get(bytes);
                String body = new String(bytes, "UTF-8");
                System.out.println("The time server receive order : "
                    + body);
                String currentTime = "QUERY TIME ORDER"
                    .equalsIgnoreCase(body) ? new java.util.Date(
                    System.currentTimeMillis()).toString()
                    : "BAD ORDER";
                doWrite(sc, currentTime);
            } else if (readBytes < 0) {
                // 对端链路关闭
                key.cancel();
                sc.close();
            } else
                ; // 读到0字节，忽略
            }
        }
        }
    
        private void doWrite(SocketChannel channel, String response)
            throws IOException {
        if (response != null && response.trim().length() > 0) {
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            channel.write(writeBuffer);
        }
        }
    }

客户端：

package cn.itcast.bigdata.nio;
    
    public class TimeClient { 
    
        /** * @param args */
        public static void main(String[] args) {
    
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
            port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
            // 采用默认值
            }
        }
        new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001")
            .start();
        }
    }

package cn.itcast.bigdata.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;
    import java.util.Set;
    
    public class TimeClientHandle implements Runnable { 
        private String host;
        private int port;
        private Selector selector;
        private SocketChannel socketChannel;
        private volatile boolean stop;
    
        public TimeClientHandle(String host, int port) {
        this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
        this.port = port;
        try {
            selector = Selector.open();
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        }
    
        /* * (non-Javadoc) * * @see java.lang.Runnable#run() */
        @Override
        public void run() {
        try {
            doConnect();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        while (!stop) {
            try {
            selector.select(1000);
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
            SelectionKey key = null;
            while (it.hasNext()) {
                key = it.next();
                it.remove();
                try {
                handleInput(key);
                } catch (Exception e) {
                if (key != null) {
                    key.cancel();
                    if (key.channel() != null)
                    key.channel().close();
                }
                }
            }
            } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
            }
        }
    
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null)
            try {
            selector.close();
            } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            }
        }
    
    
        private void doConnect() throws IOException {
        // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(socketChannel);
        } else
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    
        private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
        byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
        writeBuffer.put(req);
        writeBuffer.flip();
        sc.write(writeBuffer);
        if (!writeBuffer.hasRemaining())
            System.out.println("Send order 2 server succeed.");
        }
    
    
        private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
    
        if (key.isValid()) {
            // 判断是否连接成功
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            if (key.isConnectable()) {
            if (sc.finishConnect()) {
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                doWrite(sc);
            } else
                System.exit(1);// 连接失败，进程退出
            }
            if (key.isReadable()) {
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int readBytes = sc.read(readBuffer);
            if (readBytes > 0) {
                readBuffer.flip();
                byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                readBuffer.get(bytes);
                String body = new String(bytes, "UTF-8");
                System.out.println("Now is : " + body);
                this.stop = true;
            } else if (readBytes < 0) {
                // 对端链路关闭
                key.cancel();
                sc.close();
            } else
                ; // 读到0字节，忽略
            }
        }
    
        }
    
    
    }

测试：  
![这里写图片描述][70 5]

![这里写图片描述][70 6]

[70]: /images/20220522/75fba41e2ee14a15bd82b6a6916bb829.png
[70 1]: /images/20220522/49c5744c044a4cd89601df3b19156818.png
[70 2]: /images/20220522/bf4293012ba443288c85726e030aee9a.png
[70 3]: /images/20220522/a36c0aea4f384959a4025b9d499d34a8.png
[70 4]: /images/20220522/13ec469ea0ae40898add7152d4182172.png
[70 5]: /images/20220522/38e3dfb494d14bc7bdb1d9ea4a5d8e75.png
[70 6]: /images/20220522/ee64717561d04f3496bdbc6a670a0db7.png