JAVA NIO ---原理

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-javaio/

写的非常好

 

http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

写的也很好

 

转载：http://www.cnblogs.com/xuekyo/archive/2013/01/20/2868387.html

 

传统的并发型服务器设计是利用阻塞型网络I/O 以多线程的模式来实现的，然而由于系统常常在进行网络读写时处于阻塞状态，会大大影响系统的性能；自Java1. 4 开始引入了NIO(新I/O) API，通过使用非阻塞型I/O，实现流畅的网络读写操作，为开发高性能并发型服务器程序提供了一个很好的解决方案，这就是java nio。

首先来看下传统的阻塞型网络 I/O的不足

Java 平台传统的I/O 系统都是基于Byte（字节）和Stream（数据流）的，相应的I/O 操作都是阻塞型的，所以服务器程序也采用阻塞型I/O 进行数据的读、写操作。本文以TCP长连接模式来讨论并发型服务器的相关设计，为了实现服务器程序的并发性要求，系统由一个单独的主线程来监听用户发起的连接请求，一直处于阻塞状态；当有用户连接请求到来时，程序都会启一个新的线程来统一处理用户数据的读、写操作。

这种模式的优点是简单、实用、易管理；然而缺点也是显而易见的：由于是为每一个客户端分配一个线程来处理输入、输出数据，其线程与客户机的比例近似为1：1，随着线程数量的不断增加，服务器启动了大量的并发线程，会大大加大系统对线程的管理开销，这将成为吞吐量瓶颈的主要原因；其次由于底层的I/O 操作采用的同步模式，I/O 操作的阻塞管理粒度是以服务于请求的线程为单位的,有可能大量的线程会闲置,处于盲等状态，造成I/O资源利用率不高，影响整个系统的性能。

对于并发型服务器，系统用在阻塞型I/O 等待和线程间切换的时间远远多于CPU 在内存中处理数据的时间，因此传统的阻塞型I/O 已经成为制约系统性能的瓶颈。Java1.4 版本后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的异步输入输出机制，为提高系统的性能提供了可实现的基础机制。

NIO 包及工作原理

针对传统I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）的新模式；Selector（选择器）、可选择的Channel（通道）SelectionKey（选择键）配合起来使用，可以实现并发的非阻塞型I/O 能力。

 

NIO 工具包的成员

• Buffer（缓冲器）
  Buffer 类是一个抽象类，它有7 个子类分别对应于七种基本的数据类型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一个Buffer对象相当于一个数据容器，可以把它看作内存中的一个大的数组，用来存储和提取所有基本类型(boolean 型除外)的数据。Buffer 类的核心是一块内存区，可以直接对其执行与内存有关的操作，利用操作系统特性和能力提高和改善Java 传统I/O 的性能。

• Channel（通道）
  Channel 被认为是NIO 工具包的一大创新点，是(Buffer)缓冲器和I/O 服务之间的通道，具有双向性，既可以读入也可以写出，可以更高效的传递数据。我们这里主要讨论的是ServerSocketChannel 和SocketChannel，它们都继承了SelectableChannel，是可选择的通道，分别可以工作在同步和异步两种方式下（这里的可选择不是指可以选择两种工作方式，而是指可以有选择的注册自己感兴趣的事件）。当通道工作在同步方式时，它的功能和编程方法与传统的ServerSocket、Socket 对象相似；当通道工作在异步工作方式时，进行输入输出处理不必等到输入输出完毕才返回，并且可以将其感兴趣的（如：接受操作、连接操作、读出操作、写入操作）事件注册到Selector 对象上，与Selector 对象协同工作可以更有效率的支持和管理并发的网络套接字连接。
• Selector（选择器）
  各类 Buffer 是数据的容器对象；各类Channel 实现在各类Buffer 与各类I/O 服务间传输数据。Selector 是实现并发型非阻塞I/O 的核心，各种可选择的通道将其感兴趣的事件注册到Selector 对象上，Selector 在一个循环中不断轮循监视这各些注册在其上的Socket 通道。为ServerSocketChannel 监控接收客户端连接就绪事件，为 SocketChannel 监控连接服务器就绪，读就绪和写就绪事件。
• ServerSocketChannel
  ServerSocket 的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。
• SocketChannel
  Socket 的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。
• SelectionKey
  SelectionKey 类则封装了SelectableChannel 对象在Selector 中的注册信息。当Selector 监测到在某个注册的SelectableChannel 上发生了感兴趣的事件时,自动激活产生一个SelectionKey对象，这个对象中记录了哪一个SelectableChannel 上发生了哪种事件，通过对被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每个SelectableChannel 发生的具体事件类型,进行相应的处理。当一个 SelectionKey 对象位于Selector 对象的 selected-keys 集合中时，就表示与这个 SelectionKey 对象相关的事件发生了。
• 在SelectionKey 类中几个静态常量
  SelectionKey.OP_ACCEPT     ->   客户端连接就绪事件 等于监听serversocket.accept()返回一个socket
  SelectionKey.OP_CONNECT  ->   准备连接服务器就绪 跟上面类似,只不过是对于socket的 相当于监听了 socket.connect()
  SelectionKey.OP_READ        ->   读就绪事件, 表示输入流中已经有了可读数据, 可以执行读操作了
  SelectionKey.OP_WRITE       ->   写就绪事件

 

在使用传统的ServerSocket和Socket的时候 很多时候程序是会阻塞的。比如 serversocket.accept() , socket.getInputStream().read() 的时候都会阻塞 。

accept()方法除非等到客户端socket的连接或者被异常中断 否则会一直等待下去，read()方法也是如此 除非在输入流中有了足够的数据，否则该方法也会一直等待下去知道数据的到来。在ServerSocket与Socket的方式中 服务器端往往要为每一个客户端(socket)分配一个线程,而每一个线程都有可能处于长时间的阻塞状态中.而过多的线程也会影响服务器的性能，在JDK1.4引入了非阻塞的通信方式，这样使得服务器端只需要一个线程就能处理所有客户端socket的请求。

 

NIO 工作原理

通过上面的讨论，我们可以看出在并发型服务器程序中使用NIO，实际上是通过网络事件驱动模型实现的。我们应用Select 机制，不用为每一个客户端连接新启线程处理，而是将其注册到特定的Selector 对象上，这就可以在单线程中利用Selector 对象管理大量并发的网络连接，更好的利用了系统资源；采用非阻塞I/O 的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，从而减少了管理I/O 连接导致的系统开销，大幅度提高了系统性能。

当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector 中获得相应的SelectionKey ， 从SelectionKey 中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。由于在非阻塞网络I/O 中采用了事件触发机制，处理程序可以得到系统的主动通知，从而可以实现底层网络I/O 无阻塞、流畅地读写，而不像在原来的阻塞模式下处理程序需要不断循环等待。使用NIO，可以编写出性能更好、更易扩展的并发型服务器程序。

并发型服务器程序的实现代码

应用 NIO 工具包，基于非阻塞网络I/O 设计的并发型服务器程序与以往基于阻塞I/O 的实现程序有很大不同，在使用非阻塞网络I/O 的情况下，程序读取数据和写入数据的时机不是由程序员控制的，而是Selector 决定的。下面便给出基于非阻塞网络I/O 的并发型服务器程序的核心代码片段：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
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 NIOServer {

    /*标识数字*/
    private int flag = 0;
    /*缓冲区大小*/
    private int BLOCK = 4096;
    /*接受数据缓冲区*/
    private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
    /*发送数据缓冲区*/
    private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
    private Selector selector;

    public NIOServer(int port) throws IOException {
        // 打开服务器套接字通道  
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 服务器配置为非阻塞  
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 检索与此通道关联的服务器套接字  
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        // 进行服务的绑定  
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
        // 通过open()方法找到Selector  
        selector = Selector.open();
        // 注册到selector，等待连接  
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("Server Start----8888:");
    }

    // 监听  
    private void listen() throws IOException {
        while (true) {
            // 应用Select机制轮循是否有用户感兴趣的新的网络事件发生，当没有新的网络事件发生时，此方法会阻塞，直到有新的网络事件发生为止。
            selector.select();
            // 返回此选择器的已选择键集。  
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            System.out.println("selectionKeys size -> " + selectionKeys.size());
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                iterator.remove();
                handleKey(selectionKey);
            }
        }
    }

    // 处理请求  
    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        // 接受请求  
        ServerSocketChannel server = null;
        SocketChannel client = null;
        String receiveText;
        String sendText;
        int count = 0;
        // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。  
        if (selectionKey.isAcceptable()) {
            System.out.println("------------- isAcceptable");
            // 返回为之创建此键的通道。  
            server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
            // 接受到此通道套接字的连接。  
            // 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。  
            client = server.accept();
            // 配置为非阻塞  
            client.configureBlocking(false);
            // 注册到selector，等待连接  
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        else if (selectionKey.isReadable()) {
            System.out.println("------------- isReadable");
            // 返回为之创建此键的通道。  
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            //将缓冲区清空以备下次读取  
            receivebuffer.clear();
            //读取服务器发送来的数据到缓冲区中  
            count = client.read(receivebuffer);
            if (count > 0) {
                receiveText = new String(receivebuffer.array(), 0, count);
                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:" + receiveText);
                client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            }
        }
        else if (selectionKey.isWritable()) {
            System.out.println("------------- isWritable");
            //将缓冲区清空以备下次写入  
            sendbuffer.clear();
            // 返回为之创建此键的通道。  
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            sendText = "message from server--" + flag++;
            //向缓冲区中输入数据  
            sendbuffer.put(sendText.getBytes());
            //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位  
            sendbuffer.flip();
            //输出到通道  
            client.write(sendbuffer);
            System.out.println("服务器端向客户端发送数据--：" + sendText);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
    }

    /** 
     * @param args 
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // TODO Auto-generated method stub  
        int port = 8888;
        NIOServer server = new NIOServer(port);
        server.listen();
    }
}

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 NIOClient {

    /*标识数字*/
    private static int flag = 0;
    /*缓冲区大小*/
    private static int BLOCK = 4096;
    /*接受数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
    /*发送数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
    /*服务器端地址*/
    private final static InetSocketAddress SERVER_ADDRESS = new InetSocketAddress("localhost", 8888);

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // TODO Auto-generated method stub  
        // 打开socket通道  
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 设置为非阻塞方式  
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 打开选择器  
        Selector selector = Selector.open();
        // 注册连接服务端socket动作  
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 连接  
        socketChannel.connect(SERVER_ADDRESS);
        // 分配缓冲区大小内存  

        Set<SelectionKey> selectionKeys;
        Iterator<SelectionKey> iterator;
        SelectionKey selectionKey;
        SocketChannel client;
        String receiveText;
        String sendText;
        int count = 0;

        while (true) {
            //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。  
            //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。  
            selector.select();
            //返回此选择器的已选择键集。  
            selectionKeys = selector.selectedKeys();
            //System.out.println(selectionKeys.size());  
            iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                selectionKey = iterator.next();
                if (selectionKey.isConnectable()) {
                    System.out.println("client connect");
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    // 判断此通道上是否正在进行连接操作。  
                    // 完成套接字通道的连接过程。  
                    if (client.isConnectionPending()) {
                        client.finishConnect();
                        System.out.println("完成连接!");
                        sendbuffer.clear();
                        sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());
                        sendbuffer.flip();
                        client.write(sendbuffer);
                    }
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                else if (selectionKey.isReadable()) {
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    //将缓冲区清空以备下次读取  
                    receivebuffer.clear();
                    //读取服务器发送来的数据到缓冲区中  
                    count = client.read(receivebuffer);
                    if (count > 0) {
                        receiveText = new String(receivebuffer.array(), 0, count);
                        System.out.println("客户端接受服务器端数据--:" + receiveText);
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
                    }

                }
                else if (selectionKey.isWritable()) {
                    sendbuffer.clear();
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    sendText = "message from client--" + (flag++);
                    sendbuffer.put(sendText.getBytes());
                    //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位  
                    sendbuffer.flip();
                    client.write(sendbuffer);
                    System.out.println("客户端向服务器端发送数据--：" + sendText);
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
            }
            selectionKeys.clear();
        }
    }
}

 

从上面对代码可以看出，使用非阻塞性I/O进行并发型服务器程序设计分三个部分：

1. 向Selector对象注册感兴趣的事件。
2. 从Selector中获取所感兴趣的事件。
3. 根据不同的事件进行相应的处理。

结语

通过使用NIO 工具包进行并发型服务器程序设计，一个或者很少几个Socket 线程就可以处理成千上万个活动的Socket 连接，大大降低了服务器端程序的开销；同时网络I/O 采取非阻塞模式，线程不再在读或写时阻塞，操作系统可以更流畅的读写数据并可以更有效地向CPU 传递数据进行处理，以便更有效地提高系统的性能。