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。
- 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：
Java 代码
- 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：
Java 代码
- 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(); -
} - }
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 。不过如果对 java NIO 的理解存在异议的，欢迎一起讨论。
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