5.NIO阻塞与非阻塞

作者: xialedoucaicai | 来源:发表于2018-05-17 18:06 被阅读0次

在讨论阻塞/非阻塞之前，我们先看看IO的两个阶段

对于一个network IO (这里我们以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)
---------引用自IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞（亡羊补牢篇）

1.阻塞

阻塞：传统的IO操作是阻塞的，在等待数据和真正读写数据期间（即上述1 2两步），线程被阻塞，直到操作完成，在此期间不能做其他事情。
以传统的socket通信为例，看代码：

public void server() throws Exception{
    //获取服务端通道
    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
    //绑定端口号
    serverChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
    while(true){
        //获取客户端通道
        SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
        //读取通道中数据，并回应客户端
            //缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while(clientChannel.read(buffer) != -1){
                buffer.flip();
                System.out.println("收到消息"+new String(buffer.array(),0,buffer.limit()));
                buffer.clear();
            }
            //通知客户端，服务器收到了
            buffer.put("服务端响应客户端！".getBytes());
            buffer.flip();
            clientChannel.write(buffer);
            //向客户端发送-1，否则客户端会一直阻塞
            clientChannel.shutdownOutput();
    }
}

public void client1() throws IOException, InterruptedException{
    //获取通道
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
    //分配缓冲区
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    //本地文件传输到服务器
    //for(int i=0;i<10;i++){
        String msg = "客户端1发消息"+System.currentTimeMillis();
        System.out.println(msg);
        buffer.put(msg.getBytes());
        //模拟网络很慢
        Thread.sleep(20000);
        buffer.flip();
        socketChannel.write(buffer);
        buffer.clear();
    //}
    System.out.println("客户端1消息发完了");
    //加入这一句，向服务端发送-1，告诉服务端我文件传完了
    //否则服务端会一直读取，导致阻塞，因为没有得到-1
    socketChannel.shutdownOutput();
    //获取服务端的反馈
    int len = 0;
    while((len = socketChannel.read(buffer)) != -1){
        buffer.flip();
        System.out.println(new String(buffer.array(),0,len));
    }
    socketChannel.close();
}

public void client2() throws IOException, InterruptedException{
    //获取通道
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
    //分配缓冲区
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    buffer.put("我是client2".getBytes());
    buffer.flip();
    socketChannel.write(buffer);
    buffer.clear();
    //加入这一句，向服务端发送-1，告诉服务端我文件传完了
    //否则服务端会一直读取，导致阻塞，因为没有得到-1
    socketChannel.shutdownOutput();
    //获取服务端的反馈
    int len = 0;
    while((len = socketChannel.read(buffer)) != -1){
        buffer.flip();
        System.out.println(new String(buffer.array(),0,len));
    }
    
    socketChannel.close();
}

服务端启动，在while(true)中等待客户端连接。
客户端1连接，模拟网络很慢，20s后才发送数据给服务端。
在此期间，客户端2连接，但服务端未完成读取数据，所以无法响应客户端2
等客户端1数据读取结束后，才能处理客户端2的请求

为解决主线程被阻塞无法响应其他请求，一般会在accept()之后，结合线程池开启线程去处理客户端请求，这样即使阻塞子线程，主线程还能继续响应，但阻塞问题仍然存在，且线程切换在并发量大的时候会很频繁，影响服务器性能。

2.非阻塞

非阻塞：在等待数据期间是可以做其他操作的，但在真正读写数据时也是阻塞的。

解决思路：阻塞产生的主要原因是发起读请求后，数据并未真正可读，主线程一直在那里等，等到可读为止。那我们引入一个监控通知机制，让数据真正可读的时候再发起读请求，不可读时，先处理其他请求，不要干等着。

Selector:在NIO中通过Selector实现非阻塞通信。
服务端将Channel和它所感兴趣的事件注册到selector，然后轮询selector中感兴趣的事件是否发生，事件未发生时，主线程被操作系统阻塞（select()阻塞直到Channel感兴趣事件发生），事件发生时，select()返回，主线程遍历selector中所有事件，针对不同的事件做相应的处理。

看刘欣的<<Http Server ：一个差生的逆袭>>,认为这里事件未发生时，主线程是阻塞的，是操作系统在感兴趣的事件发生时，对事件进行标记，将主线程唤醒去处理的，唤醒后需要遍历所有注册在selector上的事件，再对被标记的事件进行处理。
每次主线程被唤醒还得遍历所有事件，一点也不智能。让操作系统直接把可处理的事件告诉主线程，免去了主线程遍历查找的步骤，这就是epoll。

还是上面的例子，我们看非阻塞方式是如何处理的：

@Test
public void server() throws IOException {
    try {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));
        ssc.configureBlocking(false);

        Selector selector = Selector.open();
        // 注册 channel，并且指定感兴趣的事件是 Accept
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(1024);
        ByteBuffer writeBuff = ByteBuffer.allocate(128);
        writeBuff.put("服务端反馈".getBytes());
        writeBuff.flip();

        while (true) {
            // select会阻塞直到指定通道感兴趣的事件发生
            int nReady = selector.select();
            System.out.println("select()返回值:" + nReady);
            if (nReady == 0) {
                continue;
            }
            // 已选择的键集合 被select()判断为已准备好的键
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();

            while (it.hasNext()) {
                // SelectionKey表示通道和选择器的注册关系
                SelectionKey key = it.next();
                //System.out.println("移除监控事件" + key.interestOps());
                it.remove();

                if (key.isAcceptable()) {
                    System.out.println("服务端accept");
                    // 创建新的连接，并且把连接注册到selector上，而且，
                    // 声明这个channel只对读操作感兴趣。
                    SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    System.out.println("注册读事件");
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    System.out.println("服务端readable");
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    socketChannel.read(readBuff);
                    readBuff.flip();
                    System.out.println("服务端received : " + new String(readBuff.array(),0,readBuff.limit()));
                    readBuff.clear();
                }
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

@Test
public void client1() throws IOException, InterruptedException {
    try {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));

        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

        writeBuffer.put("hello".getBytes());
        writeBuffer.flip();
        // 模拟网络延迟
        Thread.sleep(10000);
        socketChannel.write(writeBuffer);
        socketChannel.read(readBuffer);
        readBuffer.flip();
        System.out.println("客户端收到反馈:" + new String(readBuffer.array(), 0, readBuffer.limit()));
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

@Test
public void client2() throws IOException, InterruptedException {
    try {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));

        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

        writeBuffer.put("hello2".getBytes());
        writeBuffer.flip();
        socketChannel.write(writeBuffer);
        socketChannel.read(readBuffer);
        readBuffer.flip();
        System.out.println("客户端收到反馈:" + new String(readBuffer.array(), 0, readBuffer.limit()));
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

服务端启动后，告诉selector帮我监控下ServerSocketChannel的accept()事件
客户端连接之后，accept()事件触发，告诉selector帮我监控下SocketChannel的read()事件。
由于客户端1的数据迟迟未到，主线程阻塞在select()。
在此期间，客户端2连接到了服务器，select()返回，主线程被操作系统唤醒，开始遍历selector中的就绪事件，发现accept()就绪，处理accept()，客户端数据可读，处理read()事件。
客户端1的数据终于到了，处理客户端1的read()事件。
也就是主线程没有一直在哪里干等客户端1的数据，而是做了其他事（处理客户端2的accept()事件），这就实现了非阻塞的目的。

到这里，应该就能理解NIO与IO的第二点区别了吧：

2.借助Selector实现了非阻塞

3. 异步

异步IO等待数据和读取数据期间都不会发生阻塞。
对于read操作，主线程只负责将read的命令信息告诉内核，然后就返回。剩下的两步工作都由内核完成，然后通知主线程，任务完成了。

4. 总结

举一个不是非常贴切的例子类比一下：
阻塞：基层码农，增删改查
非阻塞：架构师，写框架
异步：老板，动嘴不动手

关于阻塞/非阻塞，再举一个服务员的例子：
阻塞：服务员，客人来了（accept事件），客人点菜（处理accept），厨师做菜（等待客户端数据），服务员一直等了10分钟，厨师做好了（读就绪），给客人端菜
非阻塞：服务员，不停地找活干，客人来了（accept），客人点菜（处理accept），厨师做菜，服务员并没有在哪里等10分钟，而是继续找其他的活，这期间还接待了很多组客人（处理了多个accept事件），发现厨师做好了（读就绪），给客人端菜

其实，Java NIO的细节还有很多，这里只是对其有一个简单了解，如果需要更深入学习，可以参考这些资料：

JAVA NIO 专门讲NIO的书
NIO的入门教程

实际使用的时候，我们一般也不会直接用NIO来完成Socket通信，可以使用现成的易用的框架，比如Netty，后面有空了可以再研究下这个框架，感觉功能很强大啊

5.NIO阻塞与非阻塞

1.阻塞

2.非阻塞

3. 异步

4. 总结

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