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Java NIO原理圖文分析及代碼實現

作者：逸情公子
開發 后端
最近在分析hadoop的RPC，遠程過程調用協議，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實現。

前言：

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠程過程調用協議，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。可以參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理（動態代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實現。

這篇博客我主要從兩個方向來分析java NIO

目錄：

一．java NIO 和阻塞I/O的區別

  1. 阻塞I/O通信模型
  2. java NIO原理及通信模型

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

具體分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的區別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現在你對阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到數據到來時（或超時）才會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有客戶端連接才會返回，每個客戶端連接過來后，服務端都會啟動一個線程去處理該客戶端的請求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：

如果你細細分析，一定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通信模型，我總結了它的兩點缺點：

  1. 當客戶端多時，會創建大量的處理線程。且每個線程都要占用棧空間和一些CPU時間
  2. 阻塞可能帶來頻繁的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2. java NIO原理及通信模型

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

  1. 由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發。
  2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。
  3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的線程切換。

閱讀過一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

（注：每個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。）

Java NIO的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實現的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進行數據傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

 

事件名 對應值
服務端接收客戶端連接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件 SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)

服務端和客戶端各自維護一個管理通道的對象，我們稱之為selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端為例，如果服務端的selector上注冊了讀事件，某時刻客戶端給服務端發送了一些數據，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取數據，而NIO的服務端會在selector中添加一個讀事件。服務端的處理線程會輪詢地訪問selector，如果訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，如果沒有感興趣的事件到達，則處理線程會一直阻塞直到感興趣的事件到達為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：

二．java NIO服務端和客戶端代碼實現

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和客戶端的簡單代碼實現。

服務端：

  1. package cn.nio;  
  2.  
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  9. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  10. import java.util.Iterator;  
  11.  
  12. /**  
  13.  * NIO服務端  
  14.  * @author 小路  
  15.  */ 
  16. public class NIOServer {  
  17.     //通道管理器  
  18.     private Selector selector;  
  19.  
  20.     /**  
  21.      * 獲得一個ServerSocket通道，并對該通道做一些初始化的工作  
  22.      * @param port  綁定的端口號  
  23.      * @throws IOException  
  24.      */ 
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
  26.         // 獲得一個ServerSocket通道  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
  28.         // 設置通道為非阻塞  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
  30.         // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
  32.         // 獲得一個通道管理器  
  33.         this.selector = Selector.open();  
  34.         //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊該事件后，  
  35.         //當該事件到達時，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。  
  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
  37.     }  
  38.  
  39.     /**  
  40.      * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理  
  41.      * @throws IOException  
  42.      */ 
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  44.     public void listen() throws IOException {  
  45.         System.out.println("服務端啟動成功！");  
  46.         // 輪詢訪問selector  
  47.         while (true) {  
  48.             //當注冊的事件到達時，方法返回；否則,該方法會一直阻塞  
  49.             selector.select();  
  50.             // 獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為注冊的事件  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  54.                 // 刪除已選的key,以防重復處理  
  55.                 ite.remove();  
  56.                 // 客戶端請求連接事件  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
  59.                             .channel();  
  60.                     // 獲得和客戶端連接的通道  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
  62.                     // 設置成非阻塞  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
  64.  
  65.                     //在這里可以給客戶端發送信息哦  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發送了一條信息").getBytes()));  
  67.                     //在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設置讀的權限。  
  68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  69.                       
  70.                     // 獲得了可讀的事件  
  71.                 } else if (key.isReadable()) {  
  72.                         read(key);  
  73.                 }  
  74.  
  75.             }  
  76.  
  77.         }  
  78.     }  
  79.     /**  
  80.      * 處理讀取客戶端發來的信息 的事件  
  81.      * @param key  
  82.      * @throws IOException   
  83.      */ 
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  85.         // 服務器可讀取消息:得到事件發生的Socket通道  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
  87.         // 創建讀取的緩沖區  
  88.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  
  89.         channel.read(buffer);  
  90.         byte[] data = buffer.array();  
  91.         String msg = new String(data).trim();  
  92.         System.out.println("服務端收到信息："+msg);  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
  94.         channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端  
  95.     }  
  96.       
  97.     /**  
  98.      * 啟動服務端測試  
  99.      * @throws IOException   
  100.      */ 
  101.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  102.         NIOServer server = new NIOServer();  
  103.         server.initServer(8000);  
  104.         server.listen();  
  105.     }  
  106.  
  107. }  

客戶端：

  1. package cn.nio;  
  2.  
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  9. import java.util.Iterator;  
  10.  
  11. /**  
  12.  * NIO客戶端  
  13.  * @author 小路  
  14.  */ 
  15. public class NIOClient {  
  16.     //通道管理器  
  17.     private Selector selector;  
  18.  
  19.     /**  
  20.      * 獲得一個Socket通道，并對該通道做一些初始化的工作  
  21.      * @param ip 連接的服務器的ip  
  22.      * @param port  連接的服務器的端口號           
  23.      * @throws IOException  
  24.      */ 
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
  26.         // 獲得一個Socket通道  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
  28.         // 設置通道為非阻塞  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
  30.         // 獲得一個通道管理器  
  31.         this.selector = Selector.open();  
  32.           
  33.         // 客戶端連接服務器,其實方法執行并沒有實現連接，需要在listen（）方法中調  
  34.         //用channel.finishConnect();才能完成連接  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
  36.         //將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊SelectionKey.OP_CONNECT事件。  
  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
  38.     }  
  39.  
  40.     /**  
  41.      * 采用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理  
  42.      * @throws IOException  
  43.      */ 
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  45.     public void listen() throws IOException {  
  46.         // 輪詢訪問selector  
  47.         while (true) {  
  48.             // 選擇一組可以進行I/O操作的事件，放在selector中,客戶端的該方法不會阻塞，  
  49.             //這里和服務端的方法不一樣，查看api注釋可以知道，當至少一個通道被選中時，  
  50.             //selector的wakeup方法被調用，方法返回，而對于客戶端來說，通道一直是被選中的  
  51.             selector.select();  
  52.             // 獲得selector中選中的項的迭代器  
  53.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  54.             while (ite.hasNext()) {  
  55.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  56.                 // 刪除已選的key,以防重復處理  
  57.                 ite.remove();  
  58.                 // 連接事件發生  
  59.                 if (key.isConnectable()) {  
  60.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
  61.                             .channel();  
  62.                     // 如果正在連接，則完成連接  
  63.                     if(channel.isConnectionPending()){  
  64.                         channel.finishConnect();  
  65.                           
  66.                     }  
  67.                     // 設置成非阻塞  
  68.                     channel.configureBlocking(false);  
  69.  
  70.                     //在這里可以給服務端發送信息哦  
  71.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發送了一條信息").getBytes()));  
  72.                     //在和服務端連接成功之后，為了可以接收到服務端的信息，需要給通道設置讀的權限。  
  73.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  74.                       
  75.                     // 獲得了可讀的事件  
  76.                 } else if (key.isReadable()) {  
  77.                         read(key);  
  78.                 }  
  79.  
  80.             }  
  81.  
  82.         }  
  83.     }  
  84.     /**  
  85.      * 處理讀取服務端發來的信息 的事件  
  86.      * @param key  
  87.      * @throws IOException   
  88.      */ 
  89.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  90.         //和服務端的read方法一樣  
  91.     }  
  92.       
  93.       
  94.     /**  
  95.      * 啟動客戶端測試  
  96.      * @throws IOException   
  97.      */ 
  98.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  99.         NIOClient client = new NIOClient();  
  100.         client.initClient("localhost",8000);  
  101.         client.listen();  
  102.     }  
  103.  
  104. }  

小 結：

終于把動態代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC機制源碼了。不過如果對java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。

原文鏈接：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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責任編輯：林師授 來源： 逸情公子的博客
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