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Java NIO原理圖文分析及代碼實(shí)現(xiàn)

 更新時(shí)間:2016年09月08日 10:10:25   作者:逸情公子  
本文主要介紹Java NIO原理的知識(shí),這里整理了詳細(xì)資料及簡(jiǎn)單示例代碼和原理圖,有需要的小伙伴可以參考下

前言:

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議,它是一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請(qǐng)求服務(wù),而不需要了解底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議??梢詤⒖迹?a >http://baike.baidu.com/view/32726.htm )機(jī)制時(shí),發(fā)現(xiàn)hadoop的RPC機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要用到了兩個(gè)技術(shù):動(dòng)態(tài)代理(動(dòng)態(tài)代理可以參考博客:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 )和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼,我覺(jué)得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實(shí)現(xiàn)。

這篇博客我主要從兩個(gè)方向來(lái)分析java NIO

目錄:

一.java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別
     1. 阻塞I/O通信模型
     2. java NIO原理及通信模型
二.java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)

具體分析:

一.java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現(xiàn)在你對(duì)阻塞I/O已有了一定了解,我們知道阻塞I/O在調(diào)用InputStream.read()方法時(shí)是阻塞的,它會(huì)一直等到數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)(或超時(shí))才會(huì)返回;同樣,在調(diào)用ServerSocket.accept()方法時(shí),也會(huì)一直阻塞到有客戶端連接才會(huì)返回,每個(gè)客戶端連接過(guò)來(lái)后,服務(wù)端都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程去處理該客戶端的請(qǐng)求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下:


 

 如果你細(xì)細(xì)分析,一定會(huì)發(fā)現(xiàn)阻塞I/O存在一些缺點(diǎn)。根據(jù)阻塞I/O通信模型,我總結(jié)了它的兩點(diǎn)缺點(diǎn):

1. 當(dāng)客戶端多時(shí),會(huì)創(chuàng)建大量的處理線程。且每個(gè)線程都要占用??臻g和一些CPU時(shí)間

2. 阻塞可能帶來(lái)頻繁的上下文切換,且大部分上下文切換可能是無(wú)意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應(yīng)用前景。

2. java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4開始使用的,它既可以說(shuō)成“新I/O”,也可以說(shuō)成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:

1. 由一個(gè)專門的線程來(lái)處理所有的 IO 事件,并負(fù)責(zé)分發(fā)。
2. 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制:事件到的時(shí)候觸發(fā),而不是同步的去監(jiān)視事件。
3. 線程通訊:線程之間通過(guò) wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無(wú)謂的線程切換。

閱讀過(guò)一些資料之后,下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖:

 
(注:每個(gè)線程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計(jì)算處理、編碼、發(fā)送響應(yīng)。)

Java NIO的服務(wù)端只需啟動(dòng)一個(gè)專門的線程來(lái)處理所有的 IO 事件,這種通信模型是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?呵呵,我們一起來(lái)探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道(channel)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而不是單向的流(stream),在通道上可以注冊(cè)我們感興趣的事件。一共有以下四種事件:


事件名 對(duì)應(yīng)值
服務(wù)端接收客戶端連接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務(wù)端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件 SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)
        

  服務(wù)端和客戶端各自維護(hù)一個(gè)管理通道的對(duì)象,我們稱之為selector,該對(duì)象能檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)通道 (channel) 上的事件。我們以服務(wù)端為例,如果服務(wù)端的selector上注冊(cè)了讀事件,某時(shí)刻客戶端給服務(wù)端發(fā)送了一些數(shù)據(jù),阻塞I/O這時(shí)會(huì)調(diào)用read()方法阻塞地讀取數(shù)據(jù),而NIO的服務(wù)端會(huì)在selector中添加一個(gè)讀事件。服務(wù)端的處理線程會(huì)輪詢地訪問(wèn)selector,如果訪問(wèn)selector時(shí)發(fā)現(xiàn)有感興趣的事件到達(dá),則處理這些事件,如果沒(méi)有感興趣的事件到達(dá),則處理線程會(huì)一直阻塞直到感興趣的事件到達(dá)為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖:


 

 二.java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務(wù)端和客戶端的簡(jiǎn)單代碼實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)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服務(wù)端 
 * @author 小路 
 */ 
public class NIOServer { 
 //通道管理器 
 private Selector selector; 
 
 /** 
  * 獲得一個(gè)ServerSocket通道,并對(duì)該通道做一些初始化的工作 
  * @param port 綁定的端口號(hào) 
  * @throws IOException 
  */ 
 public void initServer(int port) throws IOException { 
  // 獲得一個(gè)ServerSocket通道 
  ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open(); 
  // 設(shè)置通道為非阻塞 
  serverChannel.configureBlocking(false); 
  // 將該通道對(duì)應(yīng)的ServerSocket綁定到port端口 
  serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); 
  // 獲得一個(gè)通道管理器 
  this.selector = Selector.open(); 
  //將通道管理器和該通道綁定,并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊(cè)該事件后, 
  //當(dāng)該事件到達(dá)時(shí),selector.select()會(huì)返回,如果該事件沒(méi)到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。 
  serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
 } 
 
 /** 
  * 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件,如果有,則進(jìn)行處理 
  * @throws IOException 
  */ 
 @SuppressWarnings("unchecked") 
 public void listen() throws IOException { 
  System.out.println("服務(wù)端啟動(dòng)成功!"); 
  // 輪詢?cè)L問(wèn)selector 
  while (true) { 
   //當(dāng)注冊(cè)的事件到達(dá)時(shí),方法返回;否則,該方法會(huì)一直阻塞 
   selector.select(); 
   // 獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器,選中的項(xiàng)為注冊(cè)的事件 
   Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); 
   while (ite.hasNext()) { 
    SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); 
    // 刪除已選的key,以防重復(fù)處理 
    ite.remove(); 
    // 客戶端請(qǐng)求連接事件 
    if (key.isAcceptable()) { 
     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key 
       .channel(); 
     // 獲得和客戶端連接的通道 
     SocketChannel channel = server.accept(); 
     // 設(shè)置成非阻塞 
     channel.configureBlocking(false); 
 
     //在這里可以給客戶端發(fā)送信息哦 
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發(fā)送了一條信息").getBytes())); 
     //在和客戶端連接成功之后,為了可以接收到客戶端的信息,需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。 
     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); 
      
     // 獲得了可讀的事件 
    } else if (key.isReadable()) { 
      read(key); 
    } 
 
   } 
 
  } 
 } 
 /** 
  * 處理讀取客戶端發(fā)來(lái)的信息 的事件 
  * @param key 
  * @throws IOException 
  */ 
 public void read(SelectionKey key) throws IOException{ 
  // 服務(wù)器可讀取消息:得到事件發(fā)生的Socket通道 
  SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); 
  // 創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū) 
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); 
  channel.read(buffer); 
  byte[] data = buffer.array(); 
  String msg = new String(data).trim(); 
  System.out.println("服務(wù)端收到信息:"+msg); 
  ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); 
  channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端 
 } 
  
 /** 
  * 啟動(dòng)服務(wù)端測(cè)試 
  * @throws IOException 
  */ 
 public static void main(String[] args) throws IOException { 
  NIOServer server = new NIOServer(); 
  server.initServer(8000); 
  server.listen(); 
 } 
 
} 
 
 
 

客戶端:

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客戶端 
 * @author 小路 
 */ 
public class NIOClient { 
 //通道管理器 
 private Selector selector; 
 
 /** 
  * 獲得一個(gè)Socket通道,并對(duì)該通道做一些初始化的工作 
  * @param ip 連接的服務(wù)器的ip 
  * @param port 連接的服務(wù)器的端口號(hào)   
  * @throws IOException 
  */ 
 public void initClient(String ip,int port) throws IOException { 
  // 獲得一個(gè)Socket通道 
  SocketChannel channel = SocketChannel.open(); 
  // 設(shè)置通道為非阻塞 
  channel.configureBlocking(false); 
  // 獲得一個(gè)通道管理器 
  this.selector = Selector.open(); 
   
  // 客戶端連接服務(wù)器,其實(shí)方法執(zhí)行并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)連接,需要在listen()方法中調(diào) 
  //用channel.finishConnect();才能完成連接 
  channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port)); 
  //將通道管理器和該通道綁定,并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_CONNECT事件。 
  channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); 
 } 
 
 /** 
  * 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件,如果有,則進(jìn)行處理 
  * @throws IOException 
  */ 
 @SuppressWarnings("unchecked") 
 public void listen() throws IOException { 
  // 輪詢?cè)L問(wèn)selector 
  while (true) { 
   selector.select(); 
   // 獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器 
   Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); 
   while (ite.hasNext()) { 
    SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); 
    // 刪除已選的key,以防重復(fù)處理 
    ite.remove(); 
    // 連接事件發(fā)生 
    if (key.isConnectable()) { 
     SocketChannel channel = (SocketChannel) key 
       .channel(); 
     // 如果正在連接,則完成連接 
     if(channel.isConnectionPending()){ 
      channel.finishConnect(); 
       
     } 
     // 設(shè)置成非阻塞 
     channel.configureBlocking(false); 
 
     //在這里可以給服務(wù)端發(fā)送信息哦 
     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務(wù)端發(fā)送了一條信息").getBytes())); 
     //在和服務(wù)端連接成功之后,為了可以接收到服務(wù)端的信息,需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。 
     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); 
      
     // 獲得了可讀的事件 
    } else if (key.isReadable()) { 
      read(key); 
    } 
 
   } 
 
  } 
 } 
 /** 
  * 處理讀取服務(wù)端發(fā)來(lái)的信息 的事件 
  * @param key 
  * @throws IOException 
  */ 
 public void read(SelectionKey key) throws IOException{ 
  //和服務(wù)端的read方法一樣 
 } 
  
  
 /** 
  * 啟動(dòng)客戶端測(cè)試 
  * @throws IOException 
  */ 
 public static void main(String[] args) throws IOException { 
  NIOClient client = new NIOClient(); 
  client.initClient("localhost",8000); 
  client.listen(); 
 } 
 
} 
 

小結(jié):

終于把動(dòng)態(tài)代理和java NIO分析完了,呵呵,下面就要分析hadoop的RPC機(jī)制源碼了,博客地址:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898 。不過(guò)如果對(duì)java NIO的理解存在異議的,歡迎一起討論。
如需轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明出處:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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