java NIO学习笔记 非阻塞IO编程

        我们都知道TCP是面向连接的传输层协议，一个socket必定会有绑定一个连接，在普通的BIO(阻塞式IO)中，需要有三次握手，然后一般的socket编程就是这样的形式。

Socket服务器端流程如下：加载套接字->创建监听的套接字->绑定套接字->监听套接字->处理客户端相关请求。

Socket客户端同样需要先加载套接字，然后创建套接字，不过之后不用绑定和监听了，而是直接连接服务器，发送相关请求。

 

       他们一直就占用这个连接，如果有信息发送，那么就响应，否则就一直阻塞着。如果有多连接，那么就要使用多线程，一个线程处理一个连接，在连接还少的情况下，是允许的，但如果同时处理的连接过多比如说1000，那么在win平台上就会遇到瓶颈了如果2000，那么在linux上就遇到瓶颈了，因为在不同的平台上每一个进程能够创建的线程数是有限度的，并且过多的线程必将会引起系统对线程调度的效率问题，再怎么也要保证线程优先队列，阻塞队列；假设一千个线程，一个线程最少一兆的栈大小，对内存也是一个很大的消耗。

       总之阻塞式的IO是：一连接<一一一>一线程 。

 

       然后出现了NIO，在java1.4引入了java.nio包，java new I/O。引入了操作系统中常用的缓冲区和通道等概念。

 

       缓冲区： 在操作系统中缓冲区是为了解决CPU的计算速度和外设输入输出速度不匹配的问题，因为外设太慢了，如果没有缓冲区，那么CPU在外设输入的时候就要一直等着，就会造成CPU处理效率的低下，引入了缓冲之后，外设直接把数据放到缓冲中，当数据传输完成之后，给CPU一个中断信号，通知CPU：“我的数据传完了，你自己从缓冲里面去取吧”。如果是输出也是一样的道理。

       通道： 那么通道用来做什么呢？其实从他的名字就可以看出，它就是一条通道，您想传递出去的数据被放置在缓冲区中，然后缓冲区中怎么从哪里传输出去呢？或者外设怎么把数据传输到缓冲中呢？这里就要用到通道。它可以进一步的减少CPU的干预，同时更有效率的提高整个系统的资源利用率，例如当CPU要完成一组相关的读操作时，只需要向I/O通道发送一条指令，以给出其要执行的通道程序的首地址和要访问的设备，通道执行通道程序便可以完成CPU指定的I/O任务。

      选择器： 另外一项创新是选择器，当我们使用通道的时候也许通道没有准备好，或者有了新的请求过来，或者线程遇到了阻塞，而选择器恰恰可以帮助CPU了解到这些信息，但前提是将这个通道注册到了这个选择器。

 

 

 

下面一个例子是我看过的一个讲述的很贴切的例子：

一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？

1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 )

2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )

很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

 

在非阻塞式IO中实现的是：一请求<一一一>一线程

 

     下面这个例子实现了一个线程监听两个ServerSocket，只有等到请求的时候才会有处理。

Server

package com.gengu;

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.nio.channels.spi.SelectorProvider;
import java.util.Iterator;

/** 
 * TCP/IP的NIO非阻塞方式
 * 服务器端
 * */

public class Server implements Runnable{

	//第一个端口
	private Integer port1 = 8099;
	//第二个端口
	private Integer port2 = 9099;
	//第一个服务器通道 服务A
	private ServerSocketChannel serversocket1 ;
	//第二个服务器通道 服务B
	private ServerSocketChannel serversocket2 ;
	//连接1
	private SocketChannel clientchannel1 ;
	//连接2
	private SocketChannel clientchannel2 ;
	//缓冲区
	private ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(512);

        public Server(){
		init();
	}
	
	//选择器，主要用来监控各个通道的事件
	private Selector selector ;
	
	/**
	 * 这个method的作用1：是初始化选择器
	 * 2：打开两个通道
	 * 3：给通道上绑定一个socket
	 * 4：将选择器注册到通道上
	 * */
	public  void init(){
		try{
			//创建选择器
			this.selector = SelectorProvider.provider().openSelector();
			//打开第一个服务器通道
			this.serversocket1 = ServerSocketChannel.open();
			//告诉程序现在不是阻塞方式的
			this.serversocket1.configureBlocking(false);
			//获取现在与该通道关联的套接字
			this.serversocket1.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost",this.port1));
			//将选择器注册到通道上，返回一个选择键
			//OP_ACCEPT用于套接字接受操作的操作集位
			this.serversocket1.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
			
			//然后初始化第二个服务端
			this.serversocket2 = ServerSocketChannel.open();
			this.serversocket2.configureBlocking(false);
			this.serversocket2.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost",this.port2));
			this.serversocket2.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
			
		}catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
	}
	
	/**
	 * 这个方法是连接
	 * 客户端连接服务器
	 * @throws IOException 
	 * */
	public void accept(SelectionKey key) throws IOException{
		ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel(); 	
		if(server.equals(serversocket1)){
			clientchannel1 = server.accept();
			clientchannel1.configureBlocking(false);
			//OP_READ用于读取操作的操作集位
			clientchannel1.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
		}else {
			clientchannel2 = server.accept();
			clientchannel2.configureBlocking(false);
			//OP_READ用于读取操作的操作集位
			clientchannel2.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
		}
	}
	
	/**
	 * 从通道中读取数据
	 * 并且判断是给那个服务通道的
	 * @throws IOException 
	 * */
	public void read(SelectionKey key) throws IOException{
			
			this.buf.clear();
			//通过选择键来找到之前注册的通道
			//但是这里注册的是ServerSocketChannel为什么会返回一个SocketChannel？？
			SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
			//从通道里面读取数据到缓冲区并返回读取字节数
			int count = channel.read( this.buf);
			
			if(count == -1){
				//取消这个通道的注册
	            key.channel().close();
	            key.cancel();
	            return;
			}
			
			//将数据从缓冲区中拿出来
			String input = new String(this.buf.array()).trim();
			//那么现在判断是连接的那种服务
			if(channel.equals(this.clientchannel1)){
				System.out.println("欢迎您使用服务A");
				System.out.println("您的输入为："+input);
			}else{
				System.out.println("欢迎您使用服务B");
				System.out.println("您的输入为："+input);
			}
		
	}
	
	@Override
	public void run() {
		while(true){
			try{
				//选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
				this.selector.select();
				
				//返回此选择器的已选择键集
				//public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys()
				Iterator selectorKeys = this.selector.selectedKeys().iterator();
				while(selectorKeys.hasNext()){
					//这里找到当前的选择键
					SelectionKey key = (SelectionKey) selectorKeys.next();
					//然后将它从返回键队列中删除
					selectorKeys.remove();
					if(!key.isValid()){
						continue;
					}
					if(key.isAcceptable()){
						//如果遇到请求那么就响应
						this.accept(key);
					}else if(key.isReadable()){
						//读取客户端的数据
						this.read(key);
					}
				}
			}catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
		
	public static void main(String[] args) {
		Server server = new Server();
		Thread thread = new Thread(server);
		thread.start();
	}
}

 Client

package nio.asyn;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetAddress;

/**
 * TCP/IP的NIO非阻塞方式
 * 客户端
 * */
public class Client {

	//创建缓冲区
	private ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
	//访问服务器
	public void query(String host,int port) throws IOException{
		InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(host),port);
		SocketChannel socket = null;
	    byte[] bytes = new byte[512];
		while(true){
			try{
				System.in.read(bytes);
				socket = SocketChannel.open();
				socket.connect(address);
				buffer.clear();
				buffer.put(bytes);
				buffer.flip();
				socket.write(buffer);
				buffer.clear();
			}catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}finally{
				if(socket!=null){
					socket.close();
				}
			}
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) throws IOException{
		new Client().query("localhost", 8099);
		
	}
}

 

以上的服务端一个线程监听两个服务，整个服务端只有一个阻塞的方法：

//选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
				this.selector.select();

当客户请求服务器的时候，那么这造成了TCP没有面向连接的假象，其实至少在传输数据的时候是连接的，只是在一次I/O请求结束之后服务器端就把连接给断开，继而继续去处理更多的请求。而在客户端，可以看到也是遇到一次请求的时候就connect服务端一次。所以TCP还是面向连接的。

     现在终于知道了为什么叫非阻塞式IO了，大概就是这个意思。