java nio阅读后记（转帖）

企业开发 2018-05-30 17:20:28 阅读次数: 0
 
这几天堵了java nio这本书，偶遇iteye上文章，转之： http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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)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）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：

 

 

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：

 

 

（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：

 

事件名 对应值
服务端接收客户端连接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件 SelectionKey.OP_READ(1)
写事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)

 

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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，如果服务端的通道上注册了读事件，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：

 

 

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  复制代码  收藏代码
  1. package cn.nio;
  2. import java.io.IOException;
  3. import java.net.InetSocketAddress;
  4. import java.nio.ByteBuffer;
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;
  6. import java.nio.channels.Selector;
  7. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;
  9. import java.util.Iterator;
  10. /**
  11. * NIO服务端
  12. * @author 小路
  13. */
  14. public class NIOServer {
  15. //通道管理器
  16. private Selector selector;
  17. /**
  18. * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
  19. * @param port 绑定的端口号
  20. * @throws IOException
  21. */
  22. public void initServer(int port) throws IOException {
  23. // 获得一个ServerSocket通道
  24. ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
  25. // 设置通道为非阻塞
  26. serverChannel.configureBlocking(false);
  27. // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
  28. serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
  29. // 获得一个通道管理器
  30. this.selector = Selector.open();
  31. //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，
  32. //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。
  33. serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  34. }
  35. /**
  36. * 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
  37. * @throws IOException
  38. */
  39. @SuppressWarnings("unchecked")
  40. public void listen() throws IOException {
  41. System.out.println("服务端启动成功！");
  42. // 轮询访问selector
  43. while (true) {
  44. //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
  45. selector.select();
  46. // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
  47. Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
  48. while (ite.hasNext()) {
  49. SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
  50. // 删除已选的key,以防重复处理
  51. ite.remove();
  52. // 客户端请求连接事件
  53. if (key.isAcceptable()) {
  54. ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
  55. .channel();
  56. // 获得和客户端连接的通道
  57. SocketChannel channel = server.accept();
  58. // 设置成非阻塞
  59. channel.configureBlocking(false);
  60. //在这里可以给客户端发送信息哦
  61. channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
  62. //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。
  63. channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
  64. // 获得了可读的事件
  65. } else if (key.isReadable()) {
  66. read(key);
  67. }
  68. }
  69. }
  70. }
  71. /**
  72. * 处理读取客户端发来的信息 的事件
  73. * @param key
  74. * @throws IOException
  75. */
  76. public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  77. // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
  78. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  79. // 创建读取的缓冲区
  80. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
  81. channel.read(buffer);
  82. byte[] data = buffer.array();
  83. String msg = new String(data).trim();
  84. System.out.println("服务端收到信息："+msg);
  85. ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  86. channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
  87. }
  88. /**
  89. * 启动服务端测试
  90. * @throws IOException
  91. */
  92. public static void main(String[] args) throws IOException {
  93. NIOServer server = new NIOServer();
  94. server.initServer(8000);
  95. server.listen();
  96. }
  97. }
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服务端 * @author 小路 */public class NIOServer {//通道管理器private Selector selector;/** * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作 * @param port  绑定的端口号 * @throws IOException */public void initServer(int port) throws IOException {// 获得一个ServerSocket通道ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();// 设置通道为非阻塞serverChannel.configureBlocking(false);// 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));// 获得一个通道管理器this.selector = Selector.open();//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，//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。serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);}/** * 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 * @throws IOException */@SuppressWarnings("unchecked")public void listen() throws IOException {System.out.println("服务端启动成功！");// 轮询访问selectorwhile (true) {//当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞selector.select();// 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();while (ite.hasNext()) {SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();// 删除已选的key,以防重复处理ite.remove();// 客户端请求连接事件if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();// 获得和客户端连接的通道SocketChannel channel = server.accept();// 设置成非阻塞channel.configureBlocking(false);//在这里可以给客户端发送信息哦channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));//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。channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);// 获得了可读的事件} else if (key.isReadable()) {read(key);}}}}/** * 处理读取客户端发来的信息 的事件 * @param key * @throws IOException  */public void read(SelectionKey key) throws IOException{// 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();// 创建读取的缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);channel.read(buffer);byte[] data = buffer.array();String msg = new String(data).trim();System.out.println("服务端收到信息："+msg);ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端}/** * 启动服务端测试 * @throws IOException  */public static void main(String[] args) throws IOException {NIOServer server = new NIOServer();server.initServer(8000);server.listen();}}

 

客户端：

 

Java代码  复制代码  收藏代码
  1. /**
  2. *
  3. */
  4. package cn.nio;
  5. import java.io.IOException;
  6. import java.net.InetSocketAddress;
  7. import java.nio.ByteBuffer;
  8. import java.nio.channels.SelectionKey;
  9. import java.nio.channels.Selector;
  10. import java.nio.channels.SocketChannel;
  11. import java.util.Iterator;
  12. /**
  13. * NIO客户端
  14. * @author 小路
  15. */
  16. public class NIOClient {
  17. //通道管理器
  18. private Selector selector;
  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. // 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
  33. //用channel.finishConnect();才能完成连接
  34. channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
  35. //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件,注册该事件后，
  36. //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。
  37. channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  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. // 轮询访问selector
  46. while (true) {
  47. // 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中,该方法会阻塞
  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. // 设置成非阻塞
  64. channel.configureBlocking(false);
  65. //在这里可以给服务端发送信息哦
  66. channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
  67. //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。
  68. channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
  69. // 获得了可读的事件
  70. } else if (key.isReadable()) {
  71. read(key);
  72. }
  73. }
  74. }
  75. }
  76. /**
  77. * 处理读取服务端发来的信息 的事件
  78. * @param key
  79. * @throws IOException
  80. */
  81. public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  82. //和服务端的read方法一样
  83. }
  84. /**
  85. * 启动客户端测试
  86. * @throws IOException
  87. */
  88. public static void main(String[] args) throws IOException {
  89. NIOClient client = new NIOClient();
  90. client.initClient("localhost",8000);
  91. client.listen();
  92. }
  93. }
/** *  */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客户端 * @author 小路 */public class NIOClient {//通道管理器private Selector selector;/** * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 * @param ip 连接的服务器的ip * @param port  连接的服务器的端口号          * @throws IOException */public void initClient(String ip,int port) throws IOException {// 获得一个Socket通道SocketChannel channel = SocketChannel.open();// 设置通道为非阻塞channel.configureBlocking(false);// 获得一个通道管理器this.selector = Selector.open();// 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//用channel.finishConnect();才能完成连接channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));//将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件,注册该事件后，//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。channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);}/** * 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 * @throws IOException */@SuppressWarnings("unchecked")public void listen() throws IOException {// 轮询访问selectorwhile (true) {// 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中,该方法会阻塞selector.select();// 获得selector中选中的项的迭代器Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();while (ite.hasNext()) {SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();// 删除已选的key,以防重复处理ite.remove();// 连接事件发生if (key.isConnectable()) {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();// 如果正在连接，则完成连接if(channel.isConnectionPending()){channel.finishConnect();}// 设置成非阻塞channel.configureBlocking(false);//在这里可以给服务端发送信息哦channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));//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。channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);// 获得了可读的事件} else if (key.isReadable()) {read(key);}}}}/** * 处理读取服务端发来的信息 的事件 * @param key * @throws IOException  */public void read(SelectionKey key) throws IOException{//和服务端的read方法一样}/** * 启动客户端测试 * @throws IOException  */public static void main(String[] args) throws IOException {NIOClient client = new NIOClient();client.initClient("localhost",8000);client.listen();}}

 

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。不过如果对java NIO的理解存在异议的，欢迎一起讨论。

 

个人补充：java nio主要是三个大的方面。

buffer(bytebuffer,longbuffer,shortbuffer等等，注意stringbuffer不是nio的，是java.lang包里面的)

channel主要是filechannel和socketchannel两大类。channel是双向的，但是对于file是有读写权限的，所以使用channel的时候要加以判断

              channel和file是可以实现map机制的文件内存映射的，这个是高速的io，比普通的文件io读取要快得多。（代码书上有，我不写了）

selector这个是最神奇的。channel的server和client都要注册的selector上面。有selector轮训那个已经读满了。书上举例的银行出纳员的例子。感觉还是挺贴切的。selector这个东西让人不由得想起了大话设计模式中的观察者模式，中枪啊!注册时间，到时通知。。

 

jdk1.4还带来了Character和正则方面的东西，不是重点，带过。。

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转载自lvwenwen.iteye.com/blog/1832290
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