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javaNIO原理(含代码)及与 同步阻塞IO 、伪异步IO比较

2015-05-27

一 同步阻塞IO BIO就是阻塞式的IO,网络通信中对于多客户端的连入,服务器端总是与客户端数量一致的线程去处理每个客户端任务,即,客户端与线程数1:1,并且进行读写操作室阻塞的,当有你成千上

一.同步阻塞IO

BIO就是阻塞式的IO,网络通信中对于多客户端的连入,服务器端总是与客户端数量一致的线程去处理每个客户端任务,即,客户端与线程数1:1,并且进行读写操作室阻塞的,当有你成千上完的客户端进行连接,就导致服务器不断的建立新的线程,最后导致低通资源不足,后面的客户端不能连接服务器,并且连接入的客户端并不是总是在于服务器进行交互,很可能就只是占用着资源而已。

二.伪异步IO

伪异步IO对同步IO进行了优化,后端通过一个线程池和任务队列去处理所有客户端的请求,当用完后在归还给线程池,线程池的原理和数据库连接池的原理很像,他减少了线程创建和销毁的时间,无论多少客户端的连接都是这些固定的线程数量去处理,这在大量客户端与服务器信息交互量很少的情况下,是一种很好的处理方式,但是想一种情况,当有一个客户端的读取信息非常慢时,服务器对其的写操作时会很慢,甚至会阻塞很长时间,因为线程池中的线程是有限的,当有客户端需要分配线程时,就会导致新任务在队列中一直等待阻塞的客户端释放线程。当任务队列已经满时,就会有大量的用户发生连接超时。其实,伪异步IO也是同步阻塞IO。

三.javaNIO原理

为了解决上面的两种阻塞IO的缺陷,java在1.4版本开始加入NIO也称为new IO,异步IO模型。网络通信中,NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道来实现,可以设置阻塞余非阻塞两种模式,为了实现高负载高并发都采取非阻塞的模式。NIO采用缓冲区BUFFER,实现对数据的读写操作,缓冲区是固定大小,并由内部状态记录有多少数据被放入或者取出。与阻塞IO不同,阻塞IO采用阻塞式流(Stream)的方式进行读写,流是单向的只能向一个方向读数据或者写数据,而通道是双向的,可以同时在通道上发送和读取数据,而且是非阻塞的,在没有数据可读可写时可以去做别的事情。

NIO改进了上面的一对一或者M:N的模型。服务器仅采用一个一个线程去处理所有客户端线程,这就需要创建一个selector,并将其注册到想要监控的信道上(注意是通过channel的方法来实现),并返回一个selectorKey实例(包含通道和select以及感兴趣的操作),selector就好像是一个观察者,通过不断轮询所注册的一组通道上有没有等待的操作发生,当等待事件发生的时候可以做其他事情,当有信道出现感兴趣的操作,则该信道就进入就绪状态。

Slector的select方法阻塞等待又没有就绪的通道,当出现就绪的信道或者等待超时返回,就绪信道的个数,若等待超时则返回-1,selectedKeys方法返回就绪的信道。

下面附代码

这是处理感兴趣信道的接口,因为他可以放在多个服务器上所以把他做成了接口。

package Nio;

import java.io.IOException;
import java.nio.channels.SelectionKey;

public interface TCPProtocol {
	void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException;
	void handleRead(SelectionKey key) throws IOException;
	void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException;
}
这是对上面接口的具体实现
package Nio;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class SelectorProtocol implements TCPProtocol {
	private int bufSize ;
	public SelectorProtocol(int buffsize){
		this.bufSize = buffsize;
	}

	 //服务端信道已经准备好了接收新的客户端连接  
    public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {  
        SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();  
        clntChan.configureBlocking(false);  
        //将选择器注册到连接到的客户端信道,并指定该信道key值的属性为OP_READ,同时为该信道指定关联的附件  
        clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));  
    }  
  
    //客户端信道已经准备好了从信道中读取数据到缓冲区  
    public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{  
        SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();  
        //获取该信道所关联的附件,这里为缓冲区  
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();  
        long bytesRead = clntChan.read(buf);  
        //如果read()方法返回-1,说明客户端关闭了连接,那么客户端已经接收到了与自己发送字节数相等的数据,可以安全地关闭  
        if (bytesRead == -1){   
            clntChan.close();  
        }else if(bytesRead > 0){  
        //如果缓冲区总读入了数据,则将该信道感兴趣的操作设置为为可读可写  
        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);  
        }  
    }  
      
    //客户端信道已经准备好了将数据从缓冲区写入信道  
    public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {  
    //获取与该信道关联的缓冲区,里面有之前读取到的数据  
    ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();  
    //重置缓冲区,准备将数据写入信道  
    buf.flip();   
    SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();  
    //将数据写入到信道中  
    clntChan.write(buf);  
    if (!buf.hasRemaining()){   
    //如果缓冲区中的数据已经全部写入了信道,则将该信道感兴趣的操作设置为可读  
      key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);  
    }  
    //为读入更多的数据腾出空间  
    buf.compact();   
  }  
}
客户端

package Nio;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class TCPEchoClientNonblocking {
	public static void main(String args[]) throws Exception{
		//第一个参数作为要连接的服务端的主机名或IP
		String server = "localhost"; 
		//第二个参数为要发送到服务端的字符串
		byte[] argument = "nihaopengyou".getBytes();
		//如果有第三个参数,则作为端口号,如果没有,则端口号设为7
		int servPort = 2002;
		//创建一个信道,并设为非阻塞模式
		SocketChannel clntChan = SocketChannel.open();
		clntChan.configureBlocking(false);
		//向服务端发起连接
		if (!clntChan.connect(new InetSocketAddress(server, servPort))){
			//不断地轮询连接状态,直到完成连接
			while (!clntChan.finishConnect()){
				//在等待连接的时间里,可以执行其他任务,以充分发挥非阻塞IO的异步特性
				//这里为了演示该方法的使用,只是一直打印"."
				System.out.print(".");  
			}
		}
		//为了与后面打印的"."区别开来,这里输出换行符
		System.out.print("\n");
		//分别实例化用来读写的缓冲区
		ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(argument);
		ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(argument.length);
		//接收到的总的字节数
		int totalBytesRcvd = 0; 
		//每一次调用read()方法接收到的字节数
		int bytesRcvd; 
		//循环执行,直到接收到的字节数与发送的字符串的字节数相等
		while (totalBytesRcvd < argument.length){
			//如果用来向通道中写数据的缓冲区中还有剩余的字节,则继续将数据写入信道
			if (writeBuf.hasRemaining()){
				clntChan.write(writeBuf);
			}
			//如果read()接收到-1,表明服务端关闭,抛出异常
			if ((bytesRcvd = clntChan.read(readBuf)) == -1){
				throw new SocketException("Connection closed prematurely");
			}
			//计算接收到的总字节数
			totalBytesRcvd += bytesRcvd;
			//在等待通信完成的过程中,程序可以执行其他任务,以体现非阻塞IO的异步特性
			//这里为了演示该方法的使用,同样只是一直打印"."
			System.out.print("."); 
		}
		//打印出接收到的数据
		System.out.println("Received: " +  new String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));
		//关闭信道
		clntChan.close();
	}
}

服务器

package Nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class TCPServerSelector{
	//缓冲区的长度
	private static final int BUFSIZE = 256; 
	//select方法等待信道准备好的最长时间
	private static final int TIMEOUT = 3000; 
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		if (args.length < 1){
			throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):  ...");
		}
		//创建一个选择器
		Selector selector = Selector.open();
		for (String arg : args){
			//实例化一个信道
			ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();
			//将该信道绑定到指定端口
			listnChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));
			System.out.println("启动服务器"+Integer.parseInt(arg));
			//配置信道为非阻塞模式
			listnChannel.configureBlocking(false);
			//将选择器注册到各个信道
			listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		}
		//创建一个实现了协议接口的对象
		TCPProtocol protocol = new SelectorProtocol(BUFSIZE);
		//不断轮询select方法,获取准备好的信道所关联的Key集
		while (true){
			//一直等待,直至有信道准备好了I/O操作
			if (selector.select(TIMEOUT) == 0){
				//在等待信道准备的同时,也可以异步地执行其他任务,
				//这里只是简单地打印"."
				System.out.print(".");
				continue;
			}
			//获取准备好的信道所关联的Key集合的iterator实例
			Iterator keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
			//循环取得集合中的每个键值
			while (keyIter.hasNext()){
				SelectionKey key = keyIter.next(); 
				//如果服务端信道感兴趣的I/O操作为accept
				if (key.isAcceptable()){
					protocol.handleAccept(key);
				}
				//如果客户端信道感兴趣的I/O操作为read
				if (key.isReadable()){
					protocol.handleRead(key);
				}
				//如果该键值有效,并且其对应的客户端信道感兴趣的I/O操作为write
				if (key.isValid() && key.isWritable()) {
					protocol.handleWrite(key);
				}
				//这里需要手动从键集中移除当前的key
				keyIter.remove(); 
			}
		}
	}
}

运行结果:

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