[JavaEE]Java NIO原理图文分析及代码实现

2022-10-20 16:14:00

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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：

[JavaEE]Java NIO原理图文分析及代码实现

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：

[JavaEE]Java NIO原理图文分析及代码实现

（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：

[JavaEE]Java NIO原理图文分析及代码实现

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

客户端：

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