JavaNIO原理图文分析及代码实现

前言：

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最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考：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（动态代理可以参考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码，我觉得很有必要先研究一下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通信模型
  2. java NIO原理及通信模型

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：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. package cn.nio;  
    2. 
  
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  
  3. import java.io.IOException;  
    4. 
  
  
  
  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
    5. 
  
  
  
  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
    6. 
  
  
  
  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
    7. 
  
  
  
  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
    8. 
  
  
  
  
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
    9. 
  
  
  
  
  9. import java.nio.channels.SocketChannel;  
    10. 
  
  
  
  
  10. import java.util.Iterator;  
    11. 
  
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  
  12. /**  
    13. 
  
  
  
  
  13.  * NIO服务端  
    14. 
  
  
  
  
  14.  * @author 小路  
    15. 
  
  
  
  
  15.  */ 
    16. 
  
  
  
  
  16. public class NIOServer {  
    17. 
  
  
  
  
  17.     //通道管理器  
    18. 
  
  
  
  
  18.     private Selector selector;  
    19. 
  
  
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  
  
  20.     /**  
    21. 
  
  
  
  
  21.      * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作  
    22. 
  
  
  
  
  22.      * @param port  绑定的端口号  
    23. 
  
  
  
  
  23.      * @throws IOException  
    24. 
  
  
  
  
  24.      */ 
    25. 
  
  
  
  
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
    26. 
  
  
  
  
  26.         // 获得一个ServerSocket通道  
    27. 
  
  
  
  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
    28. 
  
  
  
  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
    29. 
  
  
  
  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
    30. 
  
  
  
  
  30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
    31. 
  
  
  
  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
    32. 
  
  
  
  
  32.         // 获得一个通道管理器  
    33. 
  
  
  
  
  33.         this.selector = Selector.open();  
    34. 
  
  
  
  
  34.         //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，  
    35. 
  
  
  
  
  35.         //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。  
    36. 
  
  
  
  
  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
    37. 
  
  
  
  
  37.     }  
    38. 
  
  
  
  
  38.  
    39. 
  
  
  
  
  39.     /**  
    40. 
  
  
  
  
  40.      * 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  
    41. 
  
  
  
  
  41.      * @throws IOException  
    42. 
  
  
  
  
  42.      */ 
    43. 
  
  
  
  
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
    44. 
  
  
  
  
  44.     public void listen() throws IOException {  
    45. 
  
  
  
  
  45.         System.out.println("服务端启动成功！");  
    46. 
  
  
  
  
  46.         // 轮询访问selector  
    47. 
  
  
  
  
  47.         while (true) {  
    48. 
  
  
  
  
  48.             //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞  
    49. 
  
  
  
  
  49.             selector.select();  
    50. 
  
  
  
  
  50.             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件  
    51. 
  
  
  
  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
    52. 
  
  
  
  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
    53. 
  
  
  
  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
    54. 
  
  
  
  
  54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
    55. 
  
  
  
  
  55.                 ite.remove();  
    56. 
  
  
  
  
  56.                 // 客户端请求连接事件  
    57. 
  
  
  
  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
    58. 
  
  
  
  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
    59. 
  
  
  
  
  59.                             .channel();  
    60. 
  
  
  
  
  60.                     // 获得和客户端连接的通道  
    61. 
  
  
  
  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
    62. 
  
  
  
  
  62.                     // 设置成非阻塞  
    63. 
  
  
  
  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
    64. 
  
  
  
  
  64.  
    65. 
  
  
  
  
  65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
    66. 
  
  
  
  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
    67. 
  
  
  
  
  67.                     //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。  
    68. 
  
  
  
  
  68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
    69. 
  
  
  
  
  69.                       
    70. 
  
  
  
  
  70.                     // 获得了可读的事件  
    71. 
  
  
  
  
  71.                 } else if (key.isReadable()) {  
    72. 
  
  
  
  
  72.                         read(key);  
    73. 
  
  
  
  
  73.                 }  
    74. 
  
  
  
  
  74.  
    75. 
  
  
  
  
  75.             }  
    76. 
  
  
  
  
  76.  
    77. 
  
  
  
  
  77.         }  
    78. 
  
  
  
  
  78.     }  
    79. 
  
  
  
  
  79.     /**  
    80. 
  
  
  
  
  80.      * 处理读取客户端发来的信息 的事件  
    81. 
  
  
  
  
  81.      * @param key  
    82. 
  
  
  
  
  82.      * @throws IOException   
    83. 
  
  
  
  
  83.      */ 
    84. 
  
  
  
  
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
    85. 
  
  
  
  
  85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
    86. 
  
  
  
  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
    87. 
  
  
  
  
  87.         // 创建读取的缓冲区  
    88. 
  
  
  
  
  88.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  
    89. 
  
  
  
  
  89.         channel.read(buffer);  
    90. 
  
  
  
  
  90.         byte[] data = buffer.array();  
    91. 
  
  
  
  
  91.         String msg = new String(data).trim();  
    92. 
  
  
  
  
  92.         System.out.println("服务端收到信息："+msg);  
    93. 
  
  
  
  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
    94. 
  
  
  
  
  94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
    95. 
  
  
  
  
  95.     }  
    96. 
  
  
  
  
  96.       
    97. 
  
  
  
  
  97.     /**  
    98. 
  
  
  
  
  98.      * 启动服务端测试  
    99. 
  
  
  
  
  99.      * @throws IOException   
    100. 
  
  
  
  
  100.      */ 
    101. 
  
  
  
  
  101.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
    102. 
  
  
  
  
  102.         NIOServer server = new NIOServer();  
    103. 
  
  
  
  
  103.         server.initServer(8000);  
    104. 
  
  
  
  
  104.         server.listen();  
    105. 
  
  
  
  
  105.     }  
    106. 
  
  
  
  
  106.  
    107. 
  
  
  
  
  107. }  
    108.

客户端：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. package cn.nio;  
    2. 
  
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  
  3. import java.io.IOException;  
    4. 
  
  
  
  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
    5. 
  
  
  
  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
    6. 
  
  
  
  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
    7. 
  
  
  
  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
    8. 
  
  
  
  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
    9. 
  
  
  
  
  9. import java.util.Iterator;  
    10. 
  
  
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  
  
  11. /**  
    12. 
  
  
  
  
  12.  * NIO客户端  
    13. 
  
  
  
  
  13.  * @author 小路  
    14. 
  
  
  
  
  14.  */ 
    15. 
  
  
  
  
  15. public class NIOClient {  
    16. 
  
  
  
  
  16.     //通道管理器  
    17. 
  
  
  
  
  17.     private Selector selector;  
    18. 
  
  
  
  
  18.  
    19. 
  
  
  
  
  19.     /**  
    20. 
  
  
  
  
  20.      * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作  
    21. 
  
  
  
  
  21.      * @param ip 连接的服务器的ip  
    22. 
  
  
  
  
  22.      * @param port  连接的服务器的端口号           
    23. 
  
  
  
  
  23.      * @throws IOException  
    24. 
  
  
  
  
  24.      */ 
    25. 
  
  
  
  
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
    26. 
  
  
  
  
  26.         // 获得一个Socket通道  
    27. 
  
  
  
  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
    28. 
  
  
  
  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
    29. 
  
  
  
  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
    30. 
  
  
  
  
  30.         // 获得一个通道管理器  
    31. 
  
  
  
  
  31.         this.selector = Selector.open();  
    32. 
  
  
  
  
  32.           
    33. 
  
  
  
  
  33.         // 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  
    34. 
  
  
  
  
  34.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  
    35. 
  
  
  
  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
    36. 
  
  
  
  
  36.         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。  
    37. 
  
  
  
  
  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
    38. 
  
  
  
  
  38.     }  
    39. 
  
  
  
  
  39.  
    40. 
  
  
  
  
  40.     /**  
    41. 
  
  
  
  
  41.      * 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  
    42. 
  
  
  
  
  42.      * @throws IOException  
    43. 
  
  
  
  
  43.      */ 
    44. 
  
  
  
  
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
    45. 
  
  
  
  
  45.     public void listen() throws IOException {  
    46. 
  
  
  
  
  46.         // 轮询访问selector  
    47. 
  
  
  
  
  47.         while (true) {  
    48. 
  
  
  
  
  48.             // 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中,客户端的该方法不会阻塞，  
    49. 
  
  
  
  
  49.             //这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时，  
    50. 
  
  
  
  
  50.             //selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的  
    51. 
  
  
  
  
  51.             selector.select();  
    52. 
  
  
  
  
  52.             // 获得selector中选中的项的迭代器  
    53. 
  
  
  
  
  53.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
    54. 
  
  
  
  
  54.             while (ite.hasNext()) {  
    55. 
  
  
  
  
  55.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
    56. 
  
  
  
  
  56.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
    57. 
  
  
  
  
  57.                 ite.remove();  
    58. 
  
  
  
  
  58.                 // 连接事件发生  
    59. 
  
  
  
  
  59.                 if (key.isConnectable()) {  
    60. 
  
  
  
  
  60.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
    61. 
  
  
  
  
  61.                             .channel();  
    62. 
  
  
  
  
  62.                     // 如果正在连接，则完成连接  
    63. 
  
  
  
  
  63.                     if(channel.isConnectionPending()){  
    64. 
  
  
  
  
  64.                         channel.finishConnect();  
    65. 
  
  
  
  
  65.                           
    66. 
  
  
  
  
  66.                     }  
    67. 
  
  
  
  
  67.                     // 设置成非阻塞  
    68. 
  
  
  
  
  68.                     channel.configureBlocking(false);  
    69. 
  
  
  
  
  69.  
    70. 
  
  
  
  
  70.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  
    71. 
  
  
  
  
  71.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  
    72. 
  
  
  
  
  72.                     //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。  
    73. 
  
  
  
  
  73.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
    74. 
  
  
  
  
  74.                       
    75. 
  
  
  
  
  75.                     // 获得了可读的事件  
    76. 
  
  
  
  
  76.                 } else if (key.isReadable()) {  
    77. 
  
  
  
  
  77.                         read(key);  
    78. 
  
  
  
  
  78.                 }  
    79. 
  
  
  
  
  79.  
    80. 
  
  
  
  
  80.             }  
    81. 
  
  
  
  
  81.  
    82. 
  
  
  
  
  82.         }  
    83. 
  
  
  
  
  83.     }  
    84. 
  
  
  
  
  84.     /**  
    85. 
  
  
  
  
  85.      * 处理读取服务端发来的信息 的事件  
    86. 
  
  
  
  
  86.      * @param key  
    87. 
  
  
  
  
  87.      * @throws IOException   
    88. 
  
  
  
  
  88.      */ 
    89. 
  
  
  
  
  89.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
    90. 
  
  
  
  
  90.         //和服务端的read方法一样  
    91. 
  
  
  
  
  91.     }  
    92. 
  
  
  
  
  92.       
    93. 
  
  
  
  
  93.       
    94. 
  
  
  
  
  94.     /**  
    95. 
  
  
  
  
  95.      * 启动客户端测试  
    96. 
  
  
  
  
  96.      * @throws IOException   
    97. 
  
  
  
  
  97.      */ 
    98. 
  
  
  
  
  98.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
    99. 
  
  
  
  
  99.         NIOClient client = new NIOClient();  
    100. 
  
  
  
  
  100.         client.initClient("localhost",8000);  
    101. 
  
  
  
  
  101.         client.listen();  
    102. 
  
  
  
  
  102.     }  
    103. 
  
  
  
  
  103.  
    104. 
  
  
  
  
  104. }  
    105.

小 结：

终于把动态代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC机制源码了。不过如果对java NIO的理解存在异议的，欢迎一起讨论。

当前名称：JavaNIO原理图文分析及代码实现
标题链接：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news35/217935.html

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