JAVA NIO

作者: 云师兄 | 来源:发表于2018-09-14 08:42 被阅读13次

引子

在学习一个新东西之前,都需要先知道为什么需要这个东西。NIO也是如此,它和之前的IO有什么区别,为了加深理解,我先从NIO涉及到的网络方面来切入学习。

java 网络基础知识

java传统的网络通信分为客户端程序和服务端程序两个部分。
客户端程序大致步骤为:

Socket socket = new Socket(...); // 打开套接字, 负责进行网络通信
InputStream is = socket.getInputStream(); // 获取流
in.nextLine(); // 读取数据

服务端程序大致步骤为:

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(...); // 创建服务端套接字
Socket incoming = serverSocket.accept(...); // 监听端口,等待客户端连接
InputStream inputStream = incoming.getInputStream();  // 获取流
// 处理逻辑,返回数据给客户端...

服务端这种写法的问题在于使用ServerSocket的accept()方法时会导致当前线程阻塞,而且,getInputStream()读方法同样也会导致线程阻塞。只能支持一个客户端连接服务器,为了支持多个客户端同时连接服务器,需要修改服务端程序如下:

while(true){
  Socket income =s .accpet(); // 等待连接
  Thread t = new Thread(...); // 创建线程,将accept后的socket实例在线程内部进行相关的逻辑处理
  t.start(); // 启动线程
}

这样写的好处在于,监听到一个新的客户端连接后,就创建一个新的线程,在新的线程内部进行读写操作,这样就不会阻塞其他线程,就不会因为当前线程的读写操作影响到客户端的连接了。当然,accpet方法导致的阻塞问题还是没有解决,所以还是不能满足高性能服务器的要求,为实现服务器更高的吞吐量,我们需要学习java的NIO。事实上,说到这才刚开始引出我今天要分享的主题:NIO。

NIO

NIO中涉及一些新的概念,上网阅读了一些文章帮助理解,发现有篇文章写得挺好,分享一下:
http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO,有需要可以先读一下这篇文章:

Java NIO 核心部分如下:

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors

刚开始学,我就简单的把Channels理解为连接,对标Socket;把Buffers理解为缓冲区,是InputStream流和OutInputStream的集合,所以网络数据传输就是Channels和Buffers之间的数据传递。


channel-buffer

Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现:

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

Selector允许单线程处理多个 Channel,这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示:


捕获.PNG

要使用Selector,得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新连接进来,数据接收等。

NIO和IO的区别

NIO和IO最大的区别就是IO是面向流的,NIO面向缓冲区的。IO的各种流是阻塞的,这意味着,当一个线程调用read和writer方法时,该线程将被阻塞,直到有一些数据被读取,或者数据完全被写入,该线程在此期间不能再干任何事。NIO是非阻塞模式,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数据,如果目前没有数据可用,就什么都不会获取,而不是保持线程阻塞,所以在变得数据可以获取之前,线程可以先继续做其他事情,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完,这个线程同时也可以去做其他事情,线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于其他通道上执行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)。IO是单线程的,而NIO是用选择器来模拟多线程的。

SocketChannel

SocketChannel是Channel的一种,本篇文章主要也是要讨论网络中涉及到的NIO,所以接下来来着重讨论下SocketChannel。下面部分内容参考https://blog.csdn.net/u011381576/article/details/79876754这篇文章,有需要的同学也可以看下这篇问题。
NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为,以实现非阻塞式的信道。

 channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如,在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法,如果有连接请求来了,则返回客户端SocketChannel,否则返回null。
使用了SocketChannel后,客户端程序可以写作如下:

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));
        if(socketChannel.finishConnect())
        {
           int i=0;
           while(true)
           {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while(buffer.hasRemaining()){
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }

            if(socketChannel!=null){
                socketChannel.close();
            }
      }

服务端程序用到了selector选择器,代码如下:

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
}

注意:

  1. ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept() 方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null。

Selector

Selector的创建:

Selector selector = Selector.open();

为了将Channel和Selector配合使用,必须将Channel注册到Selector上,通过

SelectableChannel.register() //SelectableChannel是ServerSocketChannel的父类

方法来实现。
与Selector一起使用时,Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用,因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件:Connect,Accept, Read,Write。通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示:

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

SelectionKey

当向Selector注册Channel时,register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性:

  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象(可选)
    interest集合:就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。
    ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后,你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合:
int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法,来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是,也可以使用以下四个方法,它们都会返回一个布尔类型:

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下:

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道,就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件(如连接、接受、读或写)已经准备就绪的那些通道。换句话说,如果你对“读就绪”的通道感兴趣,select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法:

int select()
int select(long timeout)
int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
select(long timeout)和select()一样,除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
selectNow()不会阻塞,不管什么通道就绪都立刻返回(译者注:此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后,没有通道变成可选择的,则此方法直接返回零。)。
select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即,自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法,因为有一个通道变成就绪状态,返回了1,若再次调用select()方法,如果另一个通道就绪了,它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作,现在就有两个就绪的通道,但在每次select()方法调用之间,只有一个通道就绪了。
一旦调用了select()方法,并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了,然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法,访问“已选择键集(selected key set)”中的就绪通道。如下所示:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当向Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。
注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。
SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

相关文章

网友评论

      本文标题:JAVA NIO

      本文链接:https://www.haomeiwen.com/subject/giungftx.html