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，它是一种经过网络从远程计算机程序上请求服务，而不须要了解底层网络技术的协议。能够参考：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（动态代理能够参考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。为了可以正确地分析hadoop的RPC源码，我以为颇有必要先研究一下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通讯模型
     2. java NIO原理及通讯模型
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通讯模型 

假如如今你对阻塞I/O已有了必定了解，咱们知道阻塞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；一样，在调用ServerSocket.accept()方法时，也会一直阻塞到有客户端链接才会返回，每一个客户端链接过来后，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的通讯模型示意图以下：

 

 

若是你细细分析，必定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通讯模型，我总结了它的两点缺点：
1. 当客户端多时，会建立大量的处理线程。且每一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多是无心义的。

在这种状况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2. java NIO原理及通讯模型 

Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既能够说成“新I/O”，也能够说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工做原理：

1. 由一个专门的线程来处理全部的 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. 线程通信：线程之间经过 wait,notify 等方式通信。保证每次上下文切换都是有意义的。减小无谓的线程切换。 

阅读过一些资料以后，下面贴出我理解的java NIO的工做原理图：

 

 

（注：每一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全部的 IO 事件，这种通讯模型是怎么实现的呢？呵呵，咱们一块儿来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向的流（stream），在通道上能够注册咱们感兴趣的事件。一共有如下四种事件：

 

事件名	对应值
服务端接收客户端链接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端链接服务端事件	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，咱们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。咱们以服务端为例，若是服务端的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，若是访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，若是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的通讯模型示意图：

 

 

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：

 

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;

	/**
	 * 得到一个ServerSocket通道，并对该通道作一些初始化的工做
	 * @param port  绑定的端口号
	 * @throws IOException
	 */
	public void initServer(int port) throws IOException {
		// 得到一个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));
		// 得到一个通道管理器
		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，若是该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
		serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
	}

	/**
	 * 采用轮询的方式监听selector上是否有须要处理的事件，若是有，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；不然,该方法会一直阻塞
			selector.select();
			// 得到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();
				// 客户端请求链接事件
				if (key.isAcceptable()) {
					ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
							.channel();
					// 得到和客户端链接的通道
					SocketChannel channel = server.accept();
					// 设置成非阻塞
					channel.configureBlocking(false);

					//在这里能够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()));
					//在和客户端链接成功以后，为了能够接收到客户端的信息，须要给通道设置读的权限。
					channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
					
					// 得到了可读的事件
				} 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:获得事件发生的Socket通道
		SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
		// 建立读取的缓冲区
		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：

 

 

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;

	/**
	 * 得到一个Socket通道，并对该通道作一些初始化的工做
	 * @param ip 链接的服务器的ip
	 * @param port  链接的服务器的端口号         
	 * @throws IOException
	 */
	public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
		// 得到一个Socket通道
		SocketChannel channel = SocketChannel.open();
		// 设置通道为非阻塞
		channel.configureBlocking(false);
		// 得到一个通道管理器
		this.selector = Selector.open();
		
		// 客户端链接服务器,其实方法执行并无实现链接，须要在listen（）方法中调
		//用channel.finishConnect();才能完成链接
		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上是否有须要处理的事件，若是有，则进行处理
	 * @throws IOException
	 */
	@SuppressWarnings("unchecked")
	public void listen() throws IOException {
		// 轮询访问selector
		while (true) {
			selector.select();
			// 得到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();
				// 链接事件发生
				if (key.isConnectable()) {
					SocketChannel channel = (SocketChannel) key
							.channel();
					// 若是正在链接，则完成链接
					if(channel.isConnectionPending()){
						channel.finishConnect();
						
					}
					// 设置成非阻塞
					channel.configureBlocking(false);

					//在这里能够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()));
					//在和服务端链接成功以后，为了能够接收到服务端的信息，须要给通道设置读的权限。
					channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
					
					// 得到了可读的事件
				} 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方法同样
	}
	
	
	/**
	 * 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();
	}

}