Java NIO与IO详解

概述

NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区),Selector。

       传统IO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO(一下简称IO)之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。 Java

IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用read() 或write()时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

Channel

首先说一下Channel,国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream.而Channel是双向的,既可以用来进行读操作,又可以用来进行写操作。

NIO中的Channel的主要实现有:

FileChannel

DatagramChannel

SocketChannel

ServerSocketChannel

这里看名字就可以猜出个所以然来:分别可以对应文件IO、UDP和TCP(Server和Client)。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有:ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer,

IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer,分别对应基本数据类型: byte, char, double,

float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer,

DirectByteBuffer等这里先不进行陈述。

Selector

Selector运行单线程处理多个Channel,如果你的应用打开了多个通道,但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector,

得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

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:

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 kewei.zhang

*/

public class NIOServer {

//通道管理器

private Selector selector;

/**

* 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作

* @param port  绑定的端口号

* @throws IOException

*/

public void initServer(int port) throws IOException {

// 获得一个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));

// 获得一个通道管理器

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,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。

serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

}

/**

* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,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;否则,该方法会一直阻塞

selector.select();

// 获得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();

// 客户端请求连接事件

if (key.isAcceptable()) {

ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key

.channel();

// 获得和客户端连接的通道

SocketChannel channel = server.accept();

// 设置成非阻塞

channel.configureBlocking(false);

//在这里可以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。

channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

// 获得了可读的事件

} 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:得到事件发生的Socket通道

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

// 创建读取的缓冲区

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 kewei.zhang

*/

public class NIOClient {

//通道管理器

private Selector selector;

/**

* 获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作

* @param ip 连接的服务器的ip

* @param port  连接的服务器的端口号

* @throws IOException

*/

public void initClient(String ip,int port) throws IOException {

// 获得一个Socket通道

SocketChannel channel = SocketChannel.open();

// 设置通道为非阻塞

channel.configureBlocking(false);

// 获得一个通道管理器

this.selector = Selector.open();

// 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

//用channel.finishConnect();才能完成连接

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上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理

* @throws IOException

*/

@SuppressWarnings("unchecked")

public void listen() throws IOException {

// 轮询访问selector

while (true) {

selector.select();

// 获得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();

// 连接事件发生

if (key.isConnectable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key

.channel();

// 如果正在连接,则完成连接

if(channel.isConnectionPending()){

channel.finishConnect();

}

// 设置成非阻塞

channel.configureBlocking(false);

//在这里可以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。

channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

// 获得了可读的事件

} 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方法一样

}

/**

* 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();

}

}

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