Java NIO原理 圖文分析及代碼實(shí)現(xiàn)Java NIO原理圖文分析及代碼實(shí)現(xiàn)
前言:
最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠(yuǎn)程過程調(diào)用協(xié)議，它是一種通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請(qǐng)求服務(wù)，而不需要了解底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議?？梢詤⒖迹篽ttp://baike.baidu.com/view/32726.htm)機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)hadoop的RPC機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要用到了兩個(gè)技術(shù)：動(dòng)態(tài)代理（動(dòng)態(tài)代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實(shí)現(xiàn)。
這篇博客我主要從兩個(gè)方向來分析java NIO
目錄：
一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)
具體分析：
一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別
1. 阻塞I/O通信模型
假如現(xiàn)在你對(duì)阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調(diào)用InputStream.read()方法時(shí)是阻塞的，它會(huì)一直等到數(shù)據(jù)到來時(shí)（或超時(shí)）才會(huì)返回；同樣，在調(diào)用ServerSocket.accept()方法時(shí)，也會(huì)一直阻塞到有客戶端連接才會(huì)返回，每個(gè)客戶端連接過來后，服務(wù)端都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程去處理該客戶端的請(qǐng)求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：
如果你細(xì)細(xì)分析，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)阻塞I/O存在一些缺點(diǎn)。根據(jù)阻塞I/O通信模型，我總結(jié)了它的兩點(diǎn)缺點(diǎn)：
1. 當(dāng)客戶端多時(shí)，會(huì)創(chuàng)建大量的處理線程。且每個(gè)線程都要占用?？臻g和一些CPU時(shí)間
2. 阻塞可能帶來平凡的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無意義的。
在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應(yīng)用前景。
2. java NIO原理及通信模型
Java NIO是在jdk1.4開始使用的，它既可以說成“新I/O”，也可以說成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：
1. 由一個(gè)專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負(fù)責(zé)分發(fā)。
2. 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制：事件到的時(shí)候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)視事件。
3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的進(jìn)程切換。
閱讀過一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：
（注：每個(gè)線程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計(jì)算處理、編碼、發(fā)送響應(yīng)。）
Java NIO的服務(wù)端只需啟動(dòng)一個(gè)專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊(cè)我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：
事件名對(duì)應(yīng)值
服務(wù)端接收客戶端連接事件SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務(wù)端事件SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件SelectionKey.OP_WRITE(4)
服務(wù)端和客戶端各自維護(hù)一個(gè)管理通道的對(duì)象，我們稱之為selector，該對(duì)象能檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)通道 (channel) 上的事件。我們以服務(wù)端為例，如果服務(wù)端的通道上注冊(cè)了讀事件，某時(shí)刻客戶端給服務(wù)端發(fā)送了一些數(shù)據(jù)，阻塞I/O這時(shí)會(huì)調(diào)用read()方法阻塞地讀取數(shù)據(jù)，而NIO的服務(wù)端會(huì)在selector中添加一個(gè)讀事件。服務(wù)端的處理線程會(huì)輪詢地訪問selector，如果訪問selector時(shí)發(fā)現(xiàn)有感興趣的事件到達(dá)，則處理這些事件，如果沒有感興趣的事件到達(dá)，則處理線程會(huì)一直阻塞直到感興趣的事件到達(dá)為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：
二．java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)
為了更好地理解java NIO,下面貼出服務(wù)端和客戶端的簡(jiǎn)單代碼實(shí)現(xiàn)。
服務(wù)端：
Java代碼
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服務(wù)端
* @author 小路
*/
public class NIOServer {
//通道管理器
private Selector selector;
/**
* 獲得一個(gè)ServerSocket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作
* @param port 綁定的端口號(hào)
* @throws IOException
*/
public void initServer(int port) throws IOException {
// 獲得一個(gè)ServerSocket通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
// 設(shè)置通道為非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);
// 將該通道對(duì)應(yīng)的ServerSocket綁定到port端口
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
// 獲得一個(gè)通道管理器
this.selector = Selector.open();
//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊(cè)該事件后，
//當(dāng)該事件到達(dá)時(shí)，selector.select()會(huì)返回，如果該事件沒到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}
/**
* 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理
* @throws IOException
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public void listen() throws IOException {
System.out.println("服務(wù)端啟動(dòng)成功！");
// 輪詢?cè)L問selector
while (true) {
//當(dāng)注冊(cè)的事件到達(dá)時(shí)，方法返回；否則,該方法會(huì)一直阻塞
selector.select();
// 獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器，選中的項(xiàng)為注冊(cè)的事件
Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
while (ite.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
// 刪除已選的key,以防重復(fù)處理
ite.remove();
// 客戶端請(qǐng)求連接事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
.channel();
// 獲得和客戶端連接的通道
SocketChannel channel = server.accept();
// 設(shè)置成非阻塞
channel.configureBlocking(false);
//在這里可以給客戶端發(fā)送信息哦
channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發(fā)送了一條信息").getBytes()));
//在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。
channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
// 獲得了可讀的事件
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
}
}
}
}
/**
* 處理讀取客戶端發(fā)來的信息 的事件
* @param key
* @throws IOException
*/
public void read(SelectionKey key) throws IOException{
// 服務(wù)器可讀取消息:得到事件發(fā)生的Socket通道
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū)
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
channel.read(buffer);
byte[] data = buffer.array();
String msg = new String(data).trim();
System.out.println("服務(wù)端收到信息："+msg);
ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端
}
/**
* 啟動(dòng)服務(wù)端測(cè)試
* @throws IOException
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
NIOServer server = new NIOServer();
server.initServer(8000);
server.listen();
}
}
客戶端：
Java代碼
/**
*
*/
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客戶端
* @author 小路
*/
public class NIOClient {
//通道管理器
private Selector selector;
/**
* 獲得一個(gè)Socket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作
* @param ip 連接的服務(wù)器的ip
* @param port 連接的服務(wù)器的端口號(hào)
* @throws IOException
*/
public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
// 獲得一個(gè)Socket通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 設(shè)置通道為非阻塞
channel.configureBlocking(false);
// 獲得一個(gè)通道管理器
this.selector = Selector.open();
// 客戶端連接服務(wù)器,其實(shí)方法執(zhí)行并沒有實(shí)現(xiàn)連接，需要在listen（）方法中調(diào)
//用channel.finishConnect();才能完成連接
channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_CONNECT事件,注冊(cè)該事件后，
//當(dāng)該事件到達(dá)時(shí)，selector.select()會(huì)返回，如果該事件沒到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
/**
* 采用輪詢的方式監(jiān)聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理
* @throws IOException
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public void listen() throws IOException {
// 輪詢?cè)L問selector
while (true) {
// 選擇一組可以進(jìn)行I/O操作的事件，放在selector中,該方法會(huì)阻塞
selector.select();
// 獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器
Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
while (ite.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
// 刪除已選的key,以防重復(fù)處理
ite.remove();
// 連接事件發(fā)生
if (key.isConnectable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key
.channel();
// 如果正在連接，則完成連接
if(channel.isConnectionPending()){
channel.finishConnect();
}
// 設(shè)置成非阻塞
channel.configureBlocking(false);
//在這里可以給服務(wù)端發(fā)送信息哦
channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務(wù)端發(fā)送了一條信息").getBytes()));
//在和服務(wù)端連接成功之后，為了可以接收到服務(wù)端的信息，需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。
channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
// 獲得了可讀的事件
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
}
}
}
}
/**
* 處理讀取服務(wù)端發(fā)來的信息 的事件
* @param key
* @throws IOException
*/
public void read(SelectionKey key) throws IOException{
//和服務(wù)端的read方法一樣
}
/**
* 啟動(dòng)客戶端測(cè)試
* @throws IOException
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
NIOClient client = new NIOClient();
client.initClient("localhost",8000);
client.listen();
}
}
小結(jié)：
終于把動(dòng)態(tài)代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC機(jī)制源碼了。不過如果對(duì)java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。
