java十分钟速懂知识点——NIO

时间 2019-11-10

标签 java 十分 10分知识 nio 栏目 Java 繁體版

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1、引子

nio是java的IO框架里边十分重要的一部份内容，其最核心的就是提供了非阻塞IO的处理方式，最典型的应用场景就是处理网络链接。不少同窗提起nio都能提及一二，可是细究其背后的原理、思想每每就开始背书，说来讲去都是那么几句，其中很多人并不见的真的很理解。本人以前就属于此类，看了不少书和博客，可是大多数都只是讲了三件套和怎么使用，不多会很细致的讲背后的思想，那本次咱们就来扒一扒吧。
不少博客描述nio都是这么说的：基于Reactor模式实现的多路非阻塞高性能的网络IO。那么咱们就从这个定义来分析，其中两个关键点：多路非阻塞和Reactor模式。(原本想把高性能也算进去，可是后来想一想这个应该算前二者的结果)下边咱们来分别搞懂这两块。html

2、网络IO模型

多路非阻塞其实准确的名字叫作IO多路复用模型，其是linux五种网络模型之一，也是当前网络编程最常使用的模型之一。至于详细的介绍请参考博客：高性能IO模型浅析(这个里边只给出了4中，没有信号驱动IO，但讲的很赞，特别是图)，这里仅做简要介绍和对比：java

阻塞IO：java中老的bio即是这种模式，在接到事件（数据到达、数据拷贝完成等）前程序需阻塞等待。优势是编码简单，缺点是效率低，处理程序阻塞会致使cpu利用率很低。
非阻塞IO：在未接到事件时处理程序一直主动轮询，这样处理程序无需阻塞，能够在轮询间歇去干别的，可是轮询会形成重复请求，一样浪费资源。之前java中实现的的伪异步模式就是采用这种思想。
IO复用模型：增长了对socket的事件监听器(selector)，从而把处理程序和对应的socket事件解耦，所用的socket链接都注册在监听器，在等待阶段只有监听器会阻塞，处理线程从监听器获取事件对socket链接处理便可，并且一个处理线程能够对应多个链接（前两种通常都是一个socket链接起一个线程，这就是为何叫复用），有点是节省资源，因为处理程序可以被多个链接复用，所以少数的线程就能处理大量链接。缺点一样由于复用，若是是大量费时处理的链接（如大量链接上传大文件），很容易形成线程占满而致使新链接失败。
信号驱动IO模型：在数据准别阶段无需阻塞，只需向系统注册一个信号，在数据准备好后，系统会响应该信号。该模型依赖于系统实现，并且信号通讯使用比较麻烦，所以java中未有对应实现。
异步IO：与信号驱动IO很相似，并且在数据拷贝阶段(指数据从系统缓冲区拷贝至程序本身的缓冲区，其余模型改阶段程序都须要阻塞等待)一样能够异步处理。有点没必要多说，效率很高，缺点是依赖系统底层实现。目前不少语言都提供该模型的实现，jdk1.7以后一样在concurrent包中提供了。

对比以上五种模型能够知道，IO复用模型从效率和实现成本综合而言目前是比较好的选择，这就是java基于该模型实现nio的根本缘由。上边提到了IO复用模型的实现思想，其实这种思想在其余语言中早已实现(如C++中听说流弊哄哄超10w行代码的ACE,自适配通讯环境，就采用了该模型)，而且提出了一个叫Reactor的设计模式。react

3、Reactor模式

Reactor模式，翻译过来叫作反引器模式，其目的是在事件驱动的应用中，将一个请求的可以分离而且调度给应用程序。我相信大多数人都没看明白前一句的意思（书仍是要背的），说白了就是对于一个请求的多个事件（如链接、读写等），通过这种模式的处理，可以区分出来，而且分别交给对应的处理模块处理。废话很少说，来看下一个简图：
linux

能够看到Reactor模式中组件有acceptor、dispatcher和handler(这里只是拿一种实现作个例子，真实的实现各有不一样)，其中 acceptor中注册了各种事件，当链接有新的事件过来时，其会将事件交给dispatcher进行分发；dispatcher绑定了事件和对应处理程序handler的映射关系，当接到新事件时其会把事件分发到对应handler；而handler 负责处理对应事件，这块就是咱们的业务层了。

从该模式咱们能够发现，对于 acceptor、dispatcher咱们每每只须要一个线程做为入口便可，由于其并不会有耗时处理，效率很高，而handler则根据须要起几个线程便可（多数时候使用一个线程池实现），这正是IO复用模型期望的效果。

下边咱们会介绍NIO是如何实现该模式的，在此以前先介绍一下框架，其实除了NIO以外，基于JVM实现的还有其余Reactor框架，正好最近OSC牵头翻译了对应文档，有兴趣的能够看下： Reactor 指南。

4、NIO

NIO的细节就很少讲了，这里只介绍下三件套：

channel：管道，能够看作对流的封装，有点像pipe，不过其是全双工的。其好处是屏蔽了底层细节，不用关心流对应的是文件仍是网络，也不用关心链接怎么处理的，并且全双工，不用考虑输入流或输出流，你只用使用buffer对其进行读写就好了。
buffer：channel的好基友，底层就是个字节数组，不一样的是对其进行了封装，不只提供了对基本类型的支持，并且内部维持了读写位置(postion、limit、capacity、mark等)，还提供了便捷的方法(clear、flip)。对channel的读写必须经过buffer。
selector：这个很少说了，若是前边认真看基本上就明白干啥的，就是Reactor模式中Acceptor的实现。

再来看个简图吧：编程

基本上和Reactor能对应上，少了个dispatcher，这是因为jdk自己提供的nio比较基本，dispatcher通常都由咱们本身实现，而在我理解中，mina、netty这些框架很重要的一方面也是提供了该部分的实现。
设计模式

5、一个例子

从《netty权威指南》上抄了个例子以及配图，并且代码没有客户端的，你们能够瞄一眼吧（为何没有？由于已经快一点了，我不想写了......）:
服务器端时序图：数组

客户端时序图：服务器

服务器端代码：
网络

package com.gj.netty.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;
import java.util.Set;

/**
 * Created by guojing on 2015/6/7.
 */
public class MultiplexerTimerServer implements Runnable {

    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel servChannel;
    private volatile boolean stop;

    public MultiplexerTimerServer(int port) {
        try {
            selector = Selector.open(); //新建多路复用selector
            servChannel = ServerSocketChannel.open();   //新建channel
            servChannel.configureBlocking(false);  //设置非阻塞
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024); //端口、块大小
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("TimeServer is start, port:" + port);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public void run() {
        while (!stop){
            try {
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> ketIt = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (ketIt.hasNext()){
                    key = ketIt.next();
                    ketIt.remove();
                    //处理对应key事件
                    handler(key);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

    private void handler(SelectionKey key){
        //根据key去除channel作对应处理
    }
}

View Code

6、最后一点啰嗦

我想若是这会儿还有人记得标题必定会骂我了，丫的十分钟个屁啊，认真看完至少待半个小时。这个我只能说若是你以前已经理解了，那么画个10分钟瞟一眼无所谓的，若是之前没理解，若是本文能让你有了更好的理解，那么花多少时间更无所谓了，要知道懂了java的nio是量的积累，了解了其背后的思想和原理是质的积累。并且，我明明计划半小时写完的，这会已经2个多小时过去了......框架