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Java NIO原理图文分析及代码实现

2016-12-01

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

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:

  1. packagecn.nio;
  2. importjava.io.IOException;
  3. importjava.net.InetSocketAddress;
  4. importjava.nio.ByteBuffer;
  5. importjava.nio.channels.SelectionKey;
  6. importjava.nio.channels.Selector;
  7. importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;
  8. importjava.nio.channels.SocketChannel;
  9. importjava.util.Iterator;
  10. /**
  11. *NIO服务端
  12. *@author小路
  13. */
  14. publicclassNIOServer{
  15. //通道管理器
  16. privateSelectorselector;
  17. /**
  18. *获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作
  19. *@paramport绑定的端口号
  20. *@throwsIOException
  21. */
  22. publicvoidinitServer(intport)throwsIOException{
  23. //获得一个ServerSocket通道
  24. ServerSocketChannelserverChannel=ServerSocketChannel.open();
  25. //设置通道为非阻塞
  26. serverChannel.configureBlocking(false);
  27. //将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
  28. serverChannel.socket().bind(newInetSocketAddress(port));
  29. //获得一个通道管理器
  30. this.selector=Selector.open();
  31. //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,
  32. //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。
  33. serverChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
  34. }
  35. /**
  36. *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
  37. *@throwsIOException
  38. */
  39. @SuppressWarnings("unchecked")
  40. publicvoidlisten()throwsIOException{
  41. System.out.println("服务端启动成功!");
  42. //轮询访问selector
  43. while(true){
  44. //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞
  45. selector.select();
  46. //获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件
  47. Iteratorite=this.selector.selectedKeys().iterator();
  48. while(ite.hasNext()){
  49. SelectionKeykey=(SelectionKey)ite.next();
  50. //删除已选的key,以防重复处理
  51. ite.remove();
  52. //客户端请求连接事件
  53. if(key.isAcceptable()){
  54. ServerSocketChannelserver=(ServerSocketChannel)key
  55. .channel();
  56. //获得和客户端连接的通道
  57. SocketChannelchannel=server.accept();
  58. //设置成非阻塞
  59. channel.configureBlocking(false);
  60. //在这里可以给客户端发送信息哦
  61. channel.write(ByteBuffer.wrap(newString("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
  62. //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。
  63. channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_READ);
  64. //获得了可读的事件
  65. }elseif(key.isReadable()){
  66. read(key);
  67. }
  68. }
  69. }
  70. }
  71. /**
  72. *处理读取客户端发来的信息的事件
  73. *@paramkey
  74. *@throwsIOException
  75. */
  76. publicvoidread(SelectionKeykey)throwsIOException{
  77. //服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
  78. SocketChannelchannel=(SocketChannel)key.channel();
  79. //创建读取的缓冲区
  80. ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(10);
  81. channel.read(buffer);
  82. byte[]data=buffer.array();
  83. Stringmsg=newString(data).trim();
  84. System.out.println("服务端收到信息:"+msg);
  85. ByteBufferoutBuffer=ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  86. channel.write(outBuffer);//将消息回送给客户端
  87. }
  88. /**
  89. *启动服务端测试
  90. *@throwsIOException
  91. */
  92. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{
  93. NIOServerserver=newNIOServer();
  94. server.initServer(8000);
  95. server.listen();
  96. }
  97. }

客户端:

  1. packagecn.nio;
  2. importjava.io.IOException;
  3. importjava.net.InetSocketAddress;
  4. importjava.nio.ByteBuffer;
  5. importjava.nio.channels.SelectionKey;
  6. importjava.nio.channels.Selector;
  7. importjava.nio.channels.SocketChannel;
  8. importjava.util.Iterator;
  9. /**
  10. *NIO客户端
  11. *@author小路
  12. */
  13. publicclassNIOClient{
  14. //通道管理器
  15. privateSelectorselector;
  16. /**
  17. *获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作
  18. *@paramip连接的服务器的ip
  19. *@paramport连接的服务器的端口号
  20. *@throwsIOException
  21. */
  22. publicvoidinitClient(Stringip,intport)throwsIOException{
  23. //获得一个Socket通道
  24. SocketChannelchannel=SocketChannel.open();
  25. //设置通道为非阻塞
  26. channel.configureBlocking(false);
  27. //获得一个通道管理器
  28. this.selector=Selector.open();
  29. //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
  30. //用channel.finishConnect();才能完成连接
  31. channel.connect(newInetSocketAddress(ip,port));
  32. //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
  33. channel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
  34. }
  35. /**
  36. *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
  37. *@throwsIOException
  38. */
  39. @SuppressWarnings("unchecked")
  40. publicvoidlisten()throwsIOException{
  41. //轮询访问selector
  42. while(true){
  43. selector.select();
  44. //获得selector中选中的项的迭代器
  45. Iteratorite=this.selector.selectedKeys().iterator();
  46. while(ite.hasNext()){
  47. SelectionKeykey=(SelectionKey)ite.next();
  48. //删除已选的key,以防重复处理
  49. ite.remove();
  50. //连接事件发生
  51. if(key.isConnectable()){
  52. SocketChannelchannel=(SocketChannel)key
  53. .channel();
  54. //如果正在连接,则完成连接
  55. if(channel.isConnectionPending()){
  56. channel.finishConnect();
  57. }
  58. //设置成非阻塞
  59. channel.configureBlocking(false);
  60. //在这里可以给服务端发送信息哦
  61. channel.write(ByteBuffer.wrap(newString("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
  62. //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。
  63. channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_READ);
  64. //获得了可读的事件
  65. }elseif(key.isReadable()){
  66. read(key);
  67. }
  68. }
  69. }
  70. }
  71. /**
  72. *处理读取服务端发来的信息的事件
  73. *@paramkey
  74. *@throwsIOException
  75. */
  76. publicvoidread(SelectionKeykey)throwsIOException{
  77. //和服务端的read方法一样
  78. }
  79. /**
  80. *启动客户端测试
  81. *@throwsIOException
  82. */
  83. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{
  84. NIOClientclient=newNIOClient();
  85. client.initClient("localhost",8000);
  86. client.listen();
  87. }
  88. }
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