EZLippi-浮生志

java中NIO与传统IO

感性认识:

传统的socket IO中,需要为每个连接创建一个线程,当并发的连接数量非常巨大时,线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大。使用NIO,不再需要为每个线程创建单独的线程,可以用一个含有限数量线程的线程池,甚至一个线程来为任意数量的连接服务。由于线程数量小于连接数量,所以每个线程进行IO操作时就不能阻塞,如果阻塞的话,有些连接就得不到处理,NIO提供了这种非阻塞的能力。

小量的线程如何同时为大量连接服务呢,答案就是就绪选择(事件驱动)。这就好比到餐厅吃饭,每来一桌客人,都有一个服务员专门为你服务,从你到餐厅到结帐走人,这样方式的好处是服务质量好,一对一的服务,VIP啊,可是缺点也很明显,成本高,如果餐厅生意好,同时来100桌客人,就需要100个服务员,那老板发工资的时候得心痛死了,这就是传统的一个连接一个线程的方式。

老板是什么人啊,精着呢。这老板就得捉摸怎么能用10个服务员同时为100桌客人服务呢,老板就发现,服务员在为客人服务的过程中并不是一直都忙着,客人点完菜,上完菜,吃着的这段时间,服务员就闲下来了,可是这个服务员还是被这桌客人占用着,不能为别的客人服务,用华为领导的话说,就是工作不饱满。那怎么把这段闲着的时间利用起来呢。这餐厅老板就想了一个办法,让一个服务员(前台)专门负责收集客人的需求,登记下来,比如有客人进来了、客人点菜了,客人要结帐了,都先记录下来按顺序排好。每个服务员到这里领一个需求,比如点菜,就拿着菜单帮客人点菜去了。点好菜以后,服务员马上回来,领取下一个需求,继续为别人客人服务去了。这种方式服务质量就不如一对一的服务了,当客人数据很多的时候可能需要等待。但好处也很明显,由于在客人正吃饭着的时候服务员不用闲着了,服务员这个时间内可以为其他客人服务了,原来10个服务员最多同时为10桌客人服务,现在可能为50桌,60客人服务了。

这种服务方式跟传统的区别有两个:

  • 1、增加了一个角色,要有一个专门负责收集客人需求的人。NIO里对应的就是Selector。
  • 2、由阻塞服务方式改为非阻塞服务了,客人吃着的时候服务员不用一直侯在客人旁边了。传统的IO操作,比如read(),当没有数据可读的时候,线程一直阻塞被占用,直到数据到来。NIO中没有数据可读时,read()会立即返回0,线程不会阻塞。

NIO中,客户端创建一个连接后,先要将连接注册到Selector,相当于客人进入餐厅后,告诉前台你要用餐,前台会告诉你你的桌号是几号,然后你就可能到那张桌子坐下了,SelectionKey就是桌号。当某一桌需要服务时,前台就记录哪一桌需要什么服务,比如1号桌要点菜,2号桌要结帐,服务员从前台取一条记录,根据记录提供服务,完了再来取下一条。这样服务的时间就被最有效的利用起来了。

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。
    1. 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。
    1. 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 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 小路 
 */  
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 小路 
 */  
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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