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)

 

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：

 

 

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：

 

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selector
        while (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：

 

 

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。
        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selector
        while (true) {
            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();
    }

}