Java NIO原理图文分析及代码实现

快来打我* 2022-07-24 03:25 192阅读 0赞

**[Java][] NIO原理图文分析及代码实现**   
**前言: **  
  
最近在分析[Hadoop][]的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考：[http://baike.baidu.com/view/32726.htm][http_baike.baidu.com_view_32726.htm] ）机制时，发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术：动态代理（动态代理可以参考博客：[http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774][http_weixiaolu.iteye.com_blog_1477774] ）和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码，我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。  
  
这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO  
  
目录：  
一．java NIO 和阻塞I/O的区别  
     1. 阻塞I/O通信模型  
     2. java NIO原理及通信模型  
二．java NIO服务端和客户端代码实现   
  
**具体分析： **  
  
**一．java NIO 和阻塞I/O的区别   
  
1. 阻塞I/O通信模型**   
  
假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解，我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的，它会一直等到数据到来时（或超时）才会返回；同样，在调用ServerSocket.accept()方法时，也会一直阻塞到有客户端连接才会返回，每个客户端连接过来后，服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下：

![3158e45b-1bb9-37a2-ba3e-3982b604eeff.jpg][]

如果你细细分析，一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型，我总结了它的两点缺点：  
1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间  
  
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。  
  
在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。  
  
**2. ****java NIO原理及通信模型 **  
  
Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新I/O”，也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：  
  
1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。   
2. 事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。   
3. 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。   
  
阅读过一些资料之后，下面贴出我理解的java NIO的工作原理图：

![c17e2880-a712-349f-a818-2c921303f224.jpg][]

（注：每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。）  
  
Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，这种通信模型是怎么实现的呢？呵呵，我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向的流（stream），在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件：

<table style="color:rgb(0,0,0); font-family:Helvetica,Tahoma,Arial,sans-serif; font-size:14px; line-height:25.2px; height:109px; width:432px"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">事件名</td> 
   <td style="font-size:1em">对应值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">服务端接收客户端连接事件</td> 
   <td style="font-size:1em">SelectionKey.OP_ACCEPT(16)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">客户端连接服务端事件</td> 
   <td style="font-size:1em">SelectionKey.OP_CONNECT(8)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">读事件</td> 
   <td style="font-size:1em">SelectionKey.OP_READ(1)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">写事件</td> 
   <td style="font-size:1em">SelectionKey.OP_WRITE(4)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图：

![0184183e-286c-34f1-9742-4adaa28b7003.jpg][]

**二．java NIO服务端和客户端代码实现**   
  
为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。  
  
**服务端：**

Java代码   ![收藏代码][icon_star.png]

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服务端 
14.  \* @author 小路 
15.  \*/  
16. **public** **class** NIOServer \{  
17.     //通道管理器  
18.     **private** Selector selector;  
19.   
20.     /\*\* 
21.      \* 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
22.      \* @param port  绑定的端口号 
23.      \* @throws IOException 
24.      \*/  
25.     **public** **void** initServer(**int** port) **throws** IOException \{  
26.         // 获得一个ServerSocket通道  
27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
28.         // 设置通道为非阻塞  
29.         serverChannel.configureBlocking(**false**);  
30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
31.         serverChannel.socket().bind(**new** InetSocketAddress(port));  
32.         // 获得一个通道管理器  
33.         **this**.selector = Selector.open();  
34.         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP\_ACCEPT事件,注册该事件后，  
35.         //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。  
36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP\_ACCEPT);  
37.     \}  
38.   
39.     /\*\* 
40.      \* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理 
41.      \* @throws IOException 
42.      \*/  
43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
44.     **public** **void** listen() **throws** IOException \{  
45.         System.out.println("服务端启动成功！");  
46.         // 轮询访问selector  
47.         **while** (**true**) \{  
48.             //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞  
49.             selector.select();  
50.             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件  
51.             Iterator ite = **this**.selector.selectedKeys().iterator();  
52.             **while** (ite.hasNext()) \{  
53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
55.                 ite.remove();  
56.                 // 客户端请求连接事件  
57.                 **if** (key.isAcceptable()) \{  
58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
59.                             .channel();  
60.                     // 获得和客户端连接的通道  
61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
62.                     // 设置成非阻塞  
63.                     channel.configureBlocking(**false**);  
64.   
65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(**new** String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
67.                     //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。  
68.                     channel.register(**this**.selector, SelectionKey.OP\_READ);  
69.                       
70.                     // 获得了可读的事件  
71.                 \} **else** **if** (key.isReadable()) \{  
72.                         read(key);  
73.                 \}  
74.   
75.             \}  
76.   
77.         \}  
78.     \}  
79.     /\*\* 
80.      \* 处理读取客户端发来的信息 的事件 
81.      \* @param key 
82.      \* @throws IOException  
83.      \*/  
84.     **public** **void** read(SelectionKey key) **throws** IOException\{  
85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
87.         // 创建读取的缓冲区  
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("服务端收到信息："\+msg);  
93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
95.     \}  
96.       
97.     /\*\* 
98.      \* 启动服务端测试 
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. \}

**客户端：**

Java代码   ![收藏代码][icon_star.png]

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客户端 
13.  \* @author 小路 
14.  \*/  
15. **public** **class** NIOClient \{  
16.     //通道管理器  
17.     **private** Selector selector;  
18.   
19.     /\*\* 
20.      \* 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
21.      \* @param ip 连接的服务器的ip 
22.      \* @param port  连接的服务器的端口号          
23.      \* @throws IOException 
24.      \*/  
25.     **public** **void** initClient(String ip,**int** port) **throws** IOException \{  
26.         // 获得一个Socket通道  
27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
28.         // 设置通道为非阻塞  
29.         channel.configureBlocking(**false**);  
30.         // 获得一个通道管理器  
31.         **this**.selector = Selector.open();  
32.           
33.         // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调  
34.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  
35.         channel.connect(**new** InetSocketAddress(ip,port));  
36.         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP\_CONNECT事件。  
37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP\_CONNECT);  
38.     \}  
39.   
40.     /\*\* 
41.      \* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理 
42.      \* @throws IOException 
43.      \*/  
44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
45.     **public** **void** listen() **throws** IOException \{  
46.         // 轮询访问selector  
47.         **while** (**true**) \{  
48.             selector.select();  
49.             // 获得selector中选中的项的迭代器  
50.             Iterator ite = **this**.selector.selectedKeys().iterator();  
51.             **while** (ite.hasNext()) \{  
52.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
53.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
54.                 ite.remove();  
55.                 // 连接事件发生  
56.                 **if** (key.isConnectable()) \{  
57.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
58.                             .channel();  
59.                     // 如果正在连接，则完成连接  
60.                     **if**(channel.isConnectionPending())\{  
61.                         channel.finishConnect();  
62.                           
63.                     \}  
64.                     // 设置成非阻塞  
65.                     channel.configureBlocking(**false**);  
66.   
67.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  
68.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(**new** String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  
69.                     //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。  
70.                     channel.register(**this**.selector, SelectionKey.OP\_READ);  
71.                       
72.                     // 获得了可读的事件  
73.                 \} **else** **if** (key.isReadable()) \{  
74.                         read(key);  
75.                 \}  
76.   
77.             \}  
78.   
79.         \}  
80.     \}  
81.     /\*\* 
82.      \* 处理读取服务端发来的信息 的事件 
83.      \* @param key 
84.      \* @throws IOException  
85.      \*/  
86.     **public** **void** read(SelectionKey key) **throws** IOException\{  
87.         //和服务端的read方法一样  
88.     \}  
89.       
90.       
91.     /\*\* 
92.      \* 启动客户端测试 
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. \}

**小结：**   
  
终于把动态代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC机制源码了，博客地址：[http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898][http_weixiaolu.iteye.com_blog_1504898] 。不过如果对java NIO的理解存在异议的，欢迎一起讨论。

转载出处：[http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656][http_weixiaolu.iteye.com_blog_1479656]

[Java]: http://lib.csdn.net/base/17
[Hadoop]: http://lib.csdn.net/base/20
[http_baike.baidu.com_view_32726.htm]: http://baike.baidu.com/view/32726.htm
[http_weixiaolu.iteye.com_blog_1477774]: http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774
[3158e45b-1bb9-37a2-ba3e-3982b604eeff.jpg]: /images/20220722/c577346b59b848eb99bb53d6d5dbf66a.png
[c17e2880-a712-349f-a818-2c921303f224.jpg]: /images/20220722/6e6560d3146d4f76adcd1b01fd427350.png
[0184183e-286c-34f1-9742-4adaa28b7003.jpg]: /images/20220722/064a7af5d4e54f52acf33a060f293691.png
[icon_star.png]: /images/20220722/b8c34012b54f4771b977bfe4f3ede954.png
[http_weixiaolu.iteye.com_blog_1504898]: http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898
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