2002 年 3 月 12 日 Java 技術(shù)平臺早就應(yīng)該提供非阻塞 I/O 機(jī)制了。幸運(yùn)的是，Merlin（JDK 1.4）有一根幾乎在各個場合都適用的魔杖，而解除阻塞了的 I/O 的阻塞狀態(tài)正是這位魔術(shù)師的專長。軟件工程師 Aruna Kalagnanam 和 Balu G 介紹了 Merlin 的新 I/O 包 ― java.nio（NIO）― 的這種非阻塞功能，并且用一個套接字編程示例向您展示 NIO 能做些什么。請單擊本文頂部或底部的 討論，在 討論論壇與作者及其他讀者分享您關(guān)于本文的心得。 服務(wù)器在合理的時 間之內(nèi)處理大量客戶機(jī)請求的能力取決于服務(wù)器使用 I/O 流的效率。同時為成百上千個客戶機(jī)提供服務(wù)的服務(wù)器必須能夠并發(fā)地使用 I/O 服務(wù)。Java 平臺直到 JDK 1.4（也就是 Merlin）才支持非阻塞 I/O 調(diào)用。用 Java 語言寫的服務(wù)器，由于其線程與客戶機(jī)之比幾乎是一比一，因而易于受到大量線程開銷的影響，其結(jié)果是既導(dǎo)致了性能問題又缺乏可伸縮性。 為了解決這個問題，Java 平臺的最新發(fā)行版引入了一組新的類。Merlin 的 java.nio 包充滿了解決線程開銷問題的技巧，包中最重要的是新的 SelectableChannel 類和 Selector 類。 通道（channel）是客戶機(jī)和服務(wù)器之間的一種通信方式。 選擇器（selector）與 Windows 消息循環(huán)類似，它從不同客戶機(jī)捕獲各種事件并將它們分派到相應(yīng)的事件處理程序。在本文，我們將向您展示這兩個類如何協(xié)同工作，從而為 Java 平臺創(chuàng)建非阻塞 I/O 機(jī)制。 Merlin 之前的 I/O 編程 我們將從考察基礎(chǔ)的、Merlin 之前的服務(wù)器-套接字（server-socket）程序開始。在 ServerSocket 類的生存期中，其重要功能如下： - 接受傳入連接
- 從客戶機(jī)讀取請求
- 為請求提供服務(wù)
我們來考察一下以上每一個步驟，我們用代碼片段來說明。 首先，我們創(chuàng)建一個新的 ServerSocket ： ServerSocket s = new ServerSocket(); |
接著，我們要接受傳入調(diào)用。這里，調(diào)用 accept() 應(yīng)該可以完成任務(wù)，但其中有個小陷阱您得當(dāng)心： Socket conn = s.accept( ); |
對 accept() 的調(diào)用將一直阻塞，直到服務(wù)器套接字接受了一個請求連接的客戶機(jī)請求。一旦建立了連接，服務(wù)器就使用 LineNumberReader 讀取客戶機(jī)請求。因?yàn)?LineNumberReader 要到緩沖區(qū)滿時才成批地讀取數(shù)據(jù)，所以這個調(diào)用在讀時阻塞。 下面的片段顯示了工作中的 LineNumberReader （阻塞等等）。 InputStream in = conn.getInputStream(); InputStreamReader rdr = new InputStreamReader(in); LineNumberReader lnr = new LineNumberReader(rdr); Request req = new Request(); while (!req.isComplete() ) { String s = lnr.readLine(); req.addLine(s); } |
InputStream.read() 是另一種讀取數(shù)據(jù)的方式。不幸的是， read 方法也要一直阻塞到數(shù)據(jù)可用為止， write 方法也一樣，。 圖 1 描繪了服務(wù)器的典型工作過程。黑體線表示處于阻塞的操作。
圖 1. 典型的工作中的服務(wù)器
在 JDK 1.4 之前，自由地使用線程是處理阻塞問題最典型的辦法。但這個解決辦法會產(chǎn)生它自己的問題 ― 即線程開銷，線程開銷同時影響性能和可伸縮性。不過，隨著 Merlin 和 java.nio 包的到來，一切都變了。 在下面的幾個部分中，我們將考察 java.nio 的基本思想，然后把我們所學(xué)到的一些知識應(yīng)用于修改前面描述的服務(wù)器-套接字示例。
反應(yīng)器模式（Reactor pattern） NIO 設(shè)計(jì)背后的基石是反應(yīng)器設(shè)計(jì)模式。 分布式系統(tǒng)中的服務(wù)器應(yīng)用程序必須處理多個向它們發(fā)送服務(wù)請求的客戶機(jī)。然而，在調(diào)用特定的服務(wù)之前，服務(wù)器應(yīng)用程序必須將每個傳入請求多路分用并分派到 各自相應(yīng)的服務(wù)提供者。反應(yīng)器模式正好適用于這一功能。它允許事件驅(qū)動應(yīng)用程序?qū)⒎?wù)請求多路分用并進(jìn)行分派，然后，這些服務(wù)請求被并發(fā)地從一個或多個客 戶機(jī)傳送到應(yīng)用程序。 反應(yīng)器模式與觀察者模式（Observer pattern）在這個方面極為相似：當(dāng)一個主體發(fā)生改變時，所有依屬體都得到通知。不過，觀察者模式與單個事件源關(guān)聯(lián)，而反應(yīng)器模式則與多個事件源關(guān)聯(lián)。 請參閱 參考資料了解關(guān)于反應(yīng)器模式的更多信息。
通道和選擇器 NIO 的非阻塞 I/O 機(jī)制是圍繞 選擇器和 通道構(gòu)建的。 Channel 類表示服務(wù)器和客戶機(jī)之間的一種通信機(jī)制。與反應(yīng)器模式一致， Selector 類是 Channel 的多路復(fù)用器。 Selector 類將傳入客戶機(jī)請求多路分用并將它們分派到各自的請求處理程序。 我們將仔細(xì)考察 Channel 類和 Selector 類的各個功能，以及這兩個類如何協(xié)同工作，創(chuàng)建非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)。 通道做什么 通 道表示連到一個實(shí)體（例如：硬件設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò)套接字或者能執(zhí)行一個或多個不同 I/O 操作（例如：讀或?qū)懀┑某绦蚪M件）的開放連接。可以異步地關(guān)閉和中斷 NIO 通道。所以，如果一個線程在某條通道的 I/O 操作上阻塞時，那么另一個線程可以將這條通道關(guān)閉。類似地，如果一個線程在某條通道的 I/O 操作上阻塞時，那么另一個線程可以中斷這個阻塞線程。
圖 2. java.nio.channels 的類層次結(jié)構(gòu)
如圖 2 所示，在 java.nio.channels 包中有不少通道接口。我們主要關(guān)心 java.nio.channels.SocketChannel 接口和 java.nio.channels.ServerSocketChannel 接口。 這兩個接口可用來分別代替 java.net.Socket 和 java.net.ServerSocket 。盡管我們當(dāng)然將把注意力放在以非阻塞方式使用通道上，但通道可以以阻塞方式或非阻塞方式使用。 創(chuàng)建一條非阻塞通道 為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的非阻塞套接字讀和寫操作，我們要處理兩個新類。它們是來自 java.net 包的 InetSocketAddress 類，它指定連接到哪里，以及來自 java.nio.channels 包的 SocketChannel 類，它執(zhí)行實(shí)際的讀和寫操作。 這部分中的代碼片段顯示了一種經(jīng)過修改的、非阻塞的辦法來創(chuàng)建基礎(chǔ)的服務(wù)器-套接字程序。請注意這些代碼樣本與第一個示例中所用的代碼之間的變化，從添加兩個新類開始： String host = ......; InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(host, 80); SocketChannel channel = SocketChannel.open(); channel.connect(socketAddress); |
| 緩沖區(qū)的角色
Buffer 是包含特定基本數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的抽象類。從本質(zhì)上說，它是一個包裝器，它將帶有 getter/setter 方法的固定大小的數(shù)組包裝起來，這些 getter/setter 方法使得緩沖區(qū)的內(nèi)容可以被訪問。 Buffer 類有許多子類，如下：
-
ByteBuffer -
CharBuffer -
DoubleBuffer -
FloatBuffer -
IntBuffer -
LongBuffer -
ShortBuffer ByteBuffer 是唯一支持對其它類型進(jìn)行讀寫的類，因?yàn)槠渌惗际翘囟ㄓ陬愋偷?。一旦連接上，就可以使用 ByteBuffer 對象從通道讀數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫到通道。請參閱 參考資料了解關(guān)于 ByteBuffer 的更多信息。 | | 為了使通道成為非阻塞的，我們在通道上調(diào)用 configureBlockingMethod(false) ，如下所示： channel.configureBlockingMethod(false); |
在阻塞模式中，線程將在讀或?qū)憰r阻塞，一直到讀或?qū)懖僮鲝氐淄瓿?。如果在讀的時候，數(shù)據(jù)尚未完全到達(dá)套接字，則線程將在讀操作上阻塞，一直到數(shù)據(jù)可用。 在非阻塞模式中，線程將讀取已經(jīng)可用的數(shù)據(jù)（不論多少），然后返回執(zhí)行其它任務(wù)。如果將真（true）傳遞給 configureBlockingMethod() ，則通道的行為將與在 Socket 上進(jìn)行阻塞讀或?qū)憰r的行為完全相同。唯一的主要差別，如上所述，是這些阻塞讀和寫可以被其它線程中斷。 單靠 Channel 創(chuàng)建非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)是不夠的。要實(shí)現(xiàn)非阻塞 I/O， Channel 類必須與 Selector 類配合進(jìn)行工作。 選擇器做什么 在反應(yīng)器模式情形中， Selector 類充當(dāng) Reactor 角色。 Selector 對多個 SelectableChannels 的事件進(jìn)行多路復(fù)用。每個 Channel 向 Selector 注冊事件。當(dāng)事件從客戶機(jī)處到來時， Selector 將它們多路分用并將這些事件分派到相應(yīng)的 Channel 。 創(chuàng)建 Selector 最簡單的辦法是使用 open() 方法，如下所示： Selector selector = Selector.open(); |
通道遇上選擇器 每個要為客戶機(jī)請求提供服務(wù)的 Channel 都必須首先創(chuàng)建一個連接。下面的代碼創(chuàng)建稱為 Server 的 ServerSocketChannel 并將它綁定到本地端口： ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open(); serverChannel.configureBlocking(false); InetAddress ia = InetAddress.getLocalHost(); InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(ia, port ); serverChannel.socket().bind(isa); |
每個要為客戶機(jī)請求提供服務(wù)的 Channel 都必須接著將自己向 Selector 注冊。 Channel 應(yīng)根據(jù)它將處理的事件進(jìn)行注冊。例如，接受傳入連接的 Channel 應(yīng)這樣注冊，如下： SelectionKey acceptKey = channel.register( selector,SelectionKey.OP_ACCEPT); |
Channel 向 Selector 的注冊用 SelectionKey 對象表示。滿足以下三個條件之一， Key 就失效： -
Channel 被關(guān)閉。 -
Selector 被關(guān)閉。 - 通過調(diào)用
Key 的 cancel() 方法將 Key 本身取消。 Selector 在 select() 調(diào)用時阻塞。接著，它開始等待，直到建立了一個新的連接，或者另一個線程將它喚醒，或者另一個線程將原來的阻塞線程中斷。 注冊服務(wù)器 Server 是那個將自己向 Selector 注冊以接受所有傳入連接的 ServerSocketChannel ，如下所示： SelectionKey acceptKey = serverChannel.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (acceptKey.selector().select() > 0 ){ ...... |
Server 被注冊后，我們根據(jù)每個關(guān)鍵字（key）的類型以迭代方式對一組關(guān)鍵字進(jìn)行處理。一個關(guān)鍵字被處理完成后，就都被從就緒關(guān)鍵字（ready keys）列表中除去，如下所示： Set readyKeys = sel.selectedKeys(); Iterator it = readyKeys.iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey)it.next(); it.remove(); .... .... .... } |
如果關(guān)鍵字是可接受（acceptable）的，則接受連接，注冊通道，以接受更多的事件（例如：讀或?qū)懖僮鳎?如果關(guān)鍵字是可讀的（readable）或可寫的（writable），則服務(wù)器會指示它已經(jīng)就緒于讀寫本端數(shù)據(jù)： SocketChannel socket; if (key.isAcceptable()) { System.out.println("Acceptable Key"); ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); socket = (SocketChannel) ssc.accept(); socket.configureBlocking(false); SelectionKey another = socket.register(sel,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE); } if (key.isReadable()) { System.out.println("Readable Key"); String ret = readMessage(key); if (ret.length() > 0) { writeMessage(socket,ret); } } if (key.isWritable()) { System.out.println("Writable Key"); String ret = readMessage(key); socket = (SocketChannel)key.channel(); if (result.length() > 0 ) { writeMessage(socket,ret); } } |
唵嘛呢叭咪吽 — 非阻塞服務(wù)器套接字快顯靈！ 對 JDK 1.4 中的非阻塞 I/O 的介紹的最后一部分留給您：運(yùn)行這個示例。 在這個簡單的非阻塞服務(wù)器-套接字示例中，服務(wù)器讀取發(fā)送自客戶機(jī)的文件名，顯示該文件的內(nèi)容，然后將內(nèi)容寫回到客戶機(jī)。 這里是您運(yùn)行這個示例需要做的事情： - 安裝 JDK 1.4（請參閱 參考資料）。
- 將兩個 源代碼文件復(fù)制到您的目錄。
- 編譯和運(yùn)行服務(wù)器，
java NonBlockingServer 。
- 編譯和運(yùn)行客戶機(jī)，
java Client 。
- 輸入類文件所在目錄的一個文本文件或 java 文件的名稱。
- 服務(wù)器將讀取該文件并將其內(nèi)容發(fā)送到客戶機(jī)。
- 客戶機(jī)將把從服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)打印出來。（由于所用的
ByteBuffer 的限制，所以將只讀取 1024 字節(jié)。）
- 輸入 quit 或 shutdown 命令關(guān)閉客戶機(jī)。
結(jié)束語 Merlin 的新 I/O 包覆蓋范圍很廣。Merlin 的新的非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)有兩方面：線程不再在讀或?qū)憰r阻塞，以及 Selector 能夠處理多個連接，從而大幅降低了服務(wù)器應(yīng)用程序開銷。 我們已經(jīng)著重論述了新的 java.nio 包的這兩大優(yōu)點(diǎn)。我們希望，您將把在這里所學(xué)到的知識應(yīng)用到自己的實(shí)際應(yīng)用程序開發(fā)工作中。
參考資料
作者簡介 | | | | Aruna Kalagnanam 是 IBM India Lab 電子商務(wù)集成技術(shù)方面的軟件工程師。您可以通過 kaaruna@in.ibm.com與 Aruna 聯(lián)系。 |
| | | | Balu G 是 IBM India Lab 電子商務(wù)集成技術(shù)方面的軟件工程師?？梢酝ㄟ^ gbalu@in.ibm.com與 Balu 聯(lián)系。 | | 
