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JavaNIO原理圖文分析及代碼實現(xiàn)

前言：

創(chuàng)新互聯(lián)公司自2013年創(chuàng)立以來，是專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術服務公司，擁有項目成都網(wǎng)站設計、成都做網(wǎng)站網(wǎng)站策劃，項目實施與項目整合能力。我們以讓每一個夢想脫穎而出為使命，1280元山陽做網(wǎng)站,已為上家服務,為山陽各地企業(yè)和個人服務,聯(lián)系電話:028-86922220

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠程過程調(diào)用協(xié)議，它是一種通過網(wǎng)絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網(wǎng)絡技術的協(xié)議?？梢詤⒖迹篽ttp://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發(fā)現(xiàn)hadoop的RPC機制的實現(xiàn)主要用到了兩個技術：動態(tài)代理（動態(tài)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(xiàn)。

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(qū)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(xiàn)

具體分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別

1. 阻塞I/O通信模型

假如現(xiàn)在你對阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調(diào)用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到數(shù)據(jù)到來時（或超時）才會返回；同樣，在調(diào)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(fā)現(xiàn)阻塞I/O存在一些缺點。根據(jù)阻塞I/O通信模型，我總結(jié)了它的兩點缺點：

  1. 當客戶端多時，會創(chuàng)建大量的處理線程。且每個線程都要占用?？臻g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(fā)。
  2. 事件驅(qū)動機制：事件到的時候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)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(shù)據(jù)、解碼、計算處理、編碼、發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)送了一些數(shù)據(jù)，阻塞I/O這時會調(diào)用read()方法阻塞地讀取數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)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(xiàn)

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(xiàn)。

服務端：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  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服務端  
    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.      * 獲得一個ServerSocket通道，并對該通道做一些初始化的工作  
    22. 
  
  
  
  
  22.      * @param port  綁定的端口號  
    23. 
  
  
  
  
  23.      * @throws IOException  
    24. 
  
  
  
  
  24.      */ 
    25. 
  
  
  
  
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
    26. 
  
  
  
  
  26.         // 獲得一個ServerSocket通道  
    27. 
  
  
  
  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
    28. 
  
  
  
  
  28.         // 設置通道為非阻塞  
    29. 
  
  
  
  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
    30. 
  
  
  
  
  30.         // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port端口  
    31. 
  
  
  
  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
    32. 
  
  
  
  
  32.         // 獲得一個通道管理器  
    33. 
  
  
  
  
  33.         this.selector = Selector.open();  
    34. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
    37. 
  
  
  
  
  37.     }  
    38. 
  
  
  
  
  38.  
    39. 
  
  
  
  
  39.     /**  
    40. 
  
  
  
  
  40.      * 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理  
    41. 
  
  
  
  
  41.      * @throws IOException  
    42. 
  
  
  
  
  42.      */ 
    43. 
  
  
  
  
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
    44. 
  
  
  
  
  44.     public void listen() throws IOException {  
    45. 
  
  
  
  
  45.         System.out.println("服務端啟動成功！");  
    46. 
  
  
  
  
  46.         // 輪詢訪問selector  
    47. 
  
  
  
  
  47.         while (true) {  
    48. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  49.             selector.select();  
    50. 
  
  
  
  
  50.             // 獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為注冊的事件  
    51. 
  
  
  
  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
    52. 
  
  
  
  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
    53. 
  
  
  
  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
    54. 
  
  
  
  
  54.                 // 刪除已選的key,以防重復處理  
    55. 
  
  
  
  
  55.                 ite.remove();  
    56. 
  
  
  
  
  56.                 // 客戶端請求連接事件  
    57. 
  
  
  
  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
    58. 
  
  
  
  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
    59. 
  
  
  
  
  59.                             .channel();  
    60. 
  
  
  
  
  60.                     // 獲得和客戶端連接的通道  
    61. 
  
  
  
  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
    62. 
  
  
  
  
  62.                     // 設置成非阻塞  
    63. 
  
  
  
  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
    64. 
  
  
  
  
  64.  
    65. 
  
  
  
  
  65.                     //在這里可以給客戶端發(fā)送信息哦  
    66. 
  
  
  
  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發(fā)送了一條信息").getBytes()));  
    67. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
    69. 
  
  
  
  
  69.                       
    70. 
  
  
  
  
  70.                     // 獲得了可讀的事件  
    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.      * 處理讀取客戶端發(fā)來的信息 的事件  
    81. 
  
  
  
  
  81.      * @param key  
    82. 
  
  
  
  
  82.      * @throws IOException   
    83. 
  
  
  
  
  83.      */ 
    84. 
  
  
  
  
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
    85. 
  
  
  
  
  85.         // 服務器可讀取消息:得到事件發(fā)生的Socket通道  
    86. 
  
  
  
  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
    87. 
  
  
  
  
  87.         // 創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū)  
    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("服務端收到信息："+msg);  
    93. 
  
  
  
  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
    94. 
  
  
  
  
  94.         channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端  
    95. 
  
  
  
  
  95.     }  
    96. 
  
  
  
  
  96.       
    97. 
  
  
  
  
  97.     /**  
    98. 
  
  
  
  
  98.      * 啟動服務端測試  
    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.

客戶端：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  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客戶端  
    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.      * 獲得一個Socket通道，并對該通道做一些初始化的工作  
    21. 
  
  
  
  
  21.      * @param ip 連接的服務器的ip  
    22. 
  
  
  
  
  22.      * @param port  連接的服務器的端口號           
    23. 
  
  
  
  
  23.      * @throws IOException  
    24. 
  
  
  
  
  24.      */ 
    25. 
  
  
  
  
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
    26. 
  
  
  
  
  26.         // 獲得一個Socket通道  
    27. 
  
  
  
  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
    28. 
  
  
  
  
  28.         // 設置通道為非阻塞  
    29. 
  
  
  
  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
    30. 
  
  
  
  
  30.         // 獲得一個通道管理器  
    31. 
  
  
  
  
  31.         this.selector = Selector.open();  
    32. 
  
  
  
  
  32.           
    33. 
  
  
  
  
  33.         // 客戶端連接服務器,其實方法執(zhí)行并沒有實現(xiàn)連接，需要在listen（）方法中調(diào)  
    34. 
  
  
  
  
  34.         //用channel.finishConnect();才能完成連接  
    35. 
  
  
  
  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
    36. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
    38. 
  
  
  
  
  38.     }  
    39. 
  
  
  
  
  39.  
    40. 
  
  
  
  
  40.     /**  
    41. 
  
  
  
  
  41.      * 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理  
    42. 
  
  
  
  
  42.      * @throws IOException  
    43. 
  
  
  
  
  43.      */ 
    44. 
  
  
  
  
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
    45. 
  
  
  
  
  45.     public void listen() throws IOException {  
    46. 
  
  
  
  
  46.         // 輪詢訪問selector  
    47. 
  
  
  
  
  47.         while (true) {  
    48. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  50.             //selector的wakeup方法被調(diào)用，方法返回，而對于客戶端來說，通道一直是被選中的  
    51. 
  
  
  
  
  51.             selector.select();  
    52. 
  
  
  
  
  52.             // 獲得selector中選中的項的迭代器  
    53. 
  
  
  
  
  53.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
    54. 
  
  
  
  
  54.             while (ite.hasNext()) {  
    55. 
  
  
  
  
  55.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
    56. 
  
  
  
  
  56.                 // 刪除已選的key,以防重復處理  
    57. 
  
  
  
  
  57.                 ite.remove();  
    58. 
  
  
  
  
  58.                 // 連接事件發(fā)生  
    59. 
  
  
  
  
  59.                 if (key.isConnectable()) {  
    60. 
  
  
  
  
  60.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
    61. 
  
  
  
  
  61.                             .channel();  
    62. 
  
  
  
  
  62.                     // 如果正在連接，則完成連接  
    63. 
  
  
  
  
  63.                     if(channel.isConnectionPending()){  
    64. 
  
  
  
  
  64.                         channel.finishConnect();  
    65. 
  
  
  
  
  65.                           
    66. 
  
  
  
  
  66.                     }  
    67. 
  
  
  
  
  67.                     // 設置成非阻塞  
    68. 
  
  
  
  
  68.                     channel.configureBlocking(false);  
    69. 
  
  
  
  
  69.  
    70. 
  
  
  
  
  70.                     //在這里可以給服務端發(fā)送信息哦  
    71. 
  
  
  
  
  71.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務端發(fā)送了一條信息").getBytes()));  
    72. 
  
  
  
  
  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. 
  
  
  
  
  73.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
    74. 
  
  
  
  
  74.                       
    75. 
  
  
  
  
  75.                     // 獲得了可讀的事件  
    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.      * 處理讀取服務端發(fā)來的信息 的事件  
    86. 
  
  
  
  
  86.      * @param key  
    87. 
  
  
  
  
  87.      * @throws IOException   
    88. 
  
  
  
  
  88.      */ 
    89. 
  
  
  
  
  89.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
    90. 
  
  
  
  
  90.         //和服務端的read方法一樣  
    91. 
  
  
  
  
  91.     }  
    92. 
  
  
  
  
  92.       
    93. 
  
  
  
  
  93.       
    94. 
  
  
  
  
  94.     /**  
    95. 
  
  
  
  
  95.      * 啟動客戶端測試  
    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 結(jié)：

終于把動態(tài)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。


新聞名稱：JavaNIO原理圖文分析及代碼實現(xiàn)
網(wǎng)頁路徑：http://www.dlmjj.cn/article/djsdsgh.html