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java复习-io与nio

分类: 文章 • 2022-11-05 23:49:13

由于本人对nio的理解不深刻就通过转载来学习io与nio之间的差异

出处：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

                                                    Java NIO原理图文分析及代码实现 
前言: 

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：

 

java复习-io与nio

 

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：

 

java复习-io与nio

 

（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：

 

java复习-io与nio

 

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：

 

Java代码  java复习-io与nio
  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服务端 
  14.  * @author 小路 
  15.  */  
  16. public class NIOServer {  
  17.     //通道管理器  
  18.     private Selector selector;  
  19.   
  20.     /** 
  21.      * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
  22.      * @param port  绑定的端口号 
  23.      * @throws IOException 
  24.      */  
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
  26.         // 获得一个ServerSocket通道  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
  30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
  32.         // 获得一个通道管理器  
  33.         this.selector = Selector.open();  
  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.         //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.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
  37.     }  
  38.   
  39.     /** 
  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.      * @throws IOException 
  42.      */  
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  44.     public void listen() throws IOException {  
  45.         System.out.println("服务端启动成功！");  
  46.         // 轮询访问selector  
  47.         while (true) {  
  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.             selector.select();  
  50.             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
  55.                 ite.remove();  
  56.                 // 客户端请求连接事件  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
  59.                             .channel();  
  60.                     // 获得和客户端连接的通道  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
  62.                     // 设置成非阻塞  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
  64.   
  65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
  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.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  69.                       
  70.                     // 获得了可读的事件  
  71.                 } else if (key.isReadable()) {  
  72.                         read(key);  
  73.                 }  
  74.   
  75.             }  
  76.   
  77.         }  
  78.     }  
  79.     /** 
  80.      * 处理读取客户端发来的信息 的事件 
  81.      * @param key 
  82.      * @throws IOException  
  83.      */  
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
  87.         // 创建读取的缓冲区  
  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("服务端收到信息："+msg);  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
  94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
  95.     }  
  96.       
  97.     /** 
  98.      * 启动服务端测试 
  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. }  

 

 

客户端：

 

 

Java代码  java复习-io与nio
  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客户端 
  13.  * @author 小路 
  14.  */  
  15. public class NIOClient {  
  16.     //通道管理器  
  17.     private Selector selector;  
  18.   
  19.     /** 
  20.      * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
  21.      * @param ip 连接的服务器的ip 
  22.      * @param port  连接的服务器的端口号          
  23.      * @throws IOException 
  24.      */  
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
  26.         // 获得一个Socket通道  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
  30.         // 获得一个通道管理器  
  31.         this.selector = Selector.open();  
  32.           
  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.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
  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.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
  38.     }  
  39.   
  40.     /** 
  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.      * @throws IOException 
  43.      */  
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  45.     public void listen() throws IOException {  
  46.         // 轮询访问selector  
  47.         while (true) {  
  48.             selector.select();  
  49.             // 获得selector中选中的项的迭代器  
  50.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  51.             while (ite.hasNext()) {  
  52.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  53.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
  54.                 ite.remove();  
  55.                 // 连接事件发生  
  56.                 if (key.isConnectable()) {  
  57.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
  58.                             .channel();  
  59.                     // 如果正在连接，则完成连接  
  60.                     if(channel.isConnectionPending()){  
  61.                         channel.finishConnect();  
  62.                           
  63.                     }  
  64.                     // 设置成非阻塞  
  65.                     channel.configureBlocking(false);  
  66.   
  67.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  
  68.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  
  69.                     //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。  
  70.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  71.                       
  72.                     // 获得了可读的事件  
  73.                 } else if (key.isReadable()) {  
  74.                         read(key);  
  75.                 }  
  76.   
  77.             }  
  78.   
  79.         }  
  80.     }  
  81.     /** 
  82.      * 处理读取服务端发来的信息 的事件 
  83.      * @param key 
  84.      * @throws IOException  
  85.      */  
  86.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  87.         //和服务端的read方法一样  
  88.     }  
  89.       
  90.       
  91.     /** 
  92.      * 启动客户端测试 
  93.      * @throws IOException  
  94.      */  
  95.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  96.         NIOClient client = new NIOClient();  
  97.         client.initClient("localhost",8000);  
  98.         client.listen();  
  99.     }  
  100.   

原文地址：http://tutorials.jenkov.com/java-nio/nio-vs-io.html


Java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别，我会更详细地描述表中每部分的差异。

IO                NIO
面向流            面向缓冲
阻塞IO            非阻塞IO
无                选择器

面向流与面向缓冲

Java NIO和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。 Java 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。

阻塞与非阻塞IO

Java 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。 Java 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）。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

NIO和IO如何影响应用程序的设计

无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

  1.  对NIO或IO类的API调用。
  2. 数据处理。
  3. 用来处理数据的线程数。

API调用

当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。

数据处理

使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。

在IO设计中，我们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

Name: Anna
Age: 25
Email: [email protected]
Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：
InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket

1 BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
2  
3 String nameLine   = reader.readLine();
4 String ageLine    = reader.readLine();
5 String emailLine  = reader.readLine();
6 String phoneLine  = reader.readLine();

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。下图也说明了这条原则：java复习-io与nio（Java IO: 从一个阻塞的流中读数据） 而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

1 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
2  
3 int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。

所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：

1 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
2  
3 int bytesRead = inChannel.read(buffer);
4  
5 while(! bufferFull(bytesRead) ) {
6  
7 bytesRead = inChannel.read(buffer);
8  
9 }

bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。

bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：

java复习-io与nio

Java NIO:从一个通道里读数据，直到所有的数据都读到缓冲区里.

3) 用来处理数据的线程数

NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示：

java复习-io与nio

Java NIO: 单线程管理多个连接

如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：

java复习-io与nio

Java IO: 一个典型的IO服务器设计- 一个连接通过一个线程处理.



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