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Java NIO原理圖文分析及代碼實(shí)現(xiàn)

作者：逸情公子
開(kāi)發(fā) 后端
最近在分析hadoop的RPC，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議，它是一種通過(guò)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。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)代理和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺(jué)得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實(shí)現(xiàn)。

前言：

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議，它是一種通過(guò)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。可以參考：http://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(jué)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(lái)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(lái)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(guò)來(lái)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(lái)頻繁的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無(wú)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(kāi)始使用的，它既可以說(shuō)成“新I/O”，也可以說(shuō)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(lái)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(guò) 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(wú)謂的線程切換。

閱讀過(guò)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(lái)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(lái)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(xiě)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selector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(wèn)selector，如果訪問(wèn)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(méi)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：

  1. package cn.nio;  
  2.  
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  9. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  10. import java.util.Iterator;  
  11.  
  12. /**  
  13.  * NIO服務(wù)端  
  14.  * @author 小路  
  15.  */ 
  16. public class NIOServer {  
  17.     //通道管理器  
  18.     private Selector selector;  
  19.  
  20.     /**  
  21.      * 獲得一個(gè)ServerSocket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作  
  22.      * @param port  綁定的端口號(hào)  
  23.      * @throws IOException  
  24.      */ 
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
  26.         // 獲得一個(gè)ServerSocket通道  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
  28.         // 設(shè)置通道為非阻塞  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
  30.         // 將該通道對(duì)應(yīng)的ServerSocket綁定到port端口  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
  32.         // 獲得一個(gè)通道管理器  
  33.         this.selector = Selector.open();  
  34.         //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，  
  35.         //當(dāng)該事件到達(dá)時(shí)，selector.select()會(huì)返回，如果該事件沒(méi)到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。  
  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
  37.     }  
  38.  
  39.     /**  
  40.      * 采用輪詢的方式監(jiān)聽(tīng)selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理  
  41.      * @throws IOException  
  42.      */ 
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  44.     public void listen() throws IOException {  
  45.         System.out.println("服務(wù)端啟動(dòng)成功！");  
  46.         // 輪詢?cè)L問(wèn)selector  
  47.         while (true) {  
  48.             //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  
  49.             selector.select();  
  50.             // 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  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  54.                 // 刪除已選的key,以防重復(fù)處理  
  55.                 ite.remove();  
  56.                 // 客戶端請(qǐng)求連接事件  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
  59.                             .channel();  
  60.                     // 獲得和客戶端連接的通道  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
  62.                     // 設(shè)置成非阻塞  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
  64.  
  65.                     //在這里可以給客戶端發(fā)送信息哦  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客戶端發(fā)送了一條信息").getBytes()));  
  67.                     //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。  
  68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  69.                       
  70.                     // 獲得了可讀的事件  
  71.                 } else if (key.isReadable()) {  
  72.                         read(key);  
  73.                 }  
  74.  
  75.             }  
  76.  
  77.         }  
  78.     }  
  79.     /**  
  80.      * 處理讀取客戶端發(fā)來(lái)的信息 的事件  
  81.      * @param key  
  82.      * @throws IOException   
  83.      */ 
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  85.         // 服務(wù)器可讀取消息:得到事件發(fā)生的Socket通道  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
  87.         // 創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū)  
  88.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  
  89.         channel.read(buffer);  
  90.         byte[] data = buffer.array();  
  91.         String msg = new String(data).trim();  
  92.         System.out.println("服務(wù)端收到信息："+msg);  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
  94.         channel.write(outBuffer);// 將消息回送給客戶端  
  95.     }  
  96.       
  97.     /**  
  98.      * 啟動(dòng)服務(wù)端測(cè)試  
  99.      * @throws IOException   
  100.      */ 
  101.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  102.         NIOServer server = new NIOServer();  
  103.         server.initServer(8000);  
  104.         server.listen();  
  105.     }  
  106.  
  107. }  

客戶端：

  1. package cn.nio;  
  2.  
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  9. import java.util.Iterator;  
  10.  
  11. /**  
  12.  * NIO客戶端  
  13.  * @author 小路  
  14.  */ 
  15. public class NIOClient {  
  16.     //通道管理器  
  17.     private Selector selector;  
  18.  
  19.     /**  
  20.      * 獲得一個(gè)Socket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作  
  21.      * @param ip 連接的服務(wù)器的ip  
  22.      * @param port  連接的服務(wù)器的端口號(hào)           
  23.      * @throws IOException  
  24.      */ 
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
  26.         // 獲得一個(gè)Socket通道  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
  28.         // 設(shè)置通道為非阻塞  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
  30.         // 獲得一個(gè)通道管理器  
  31.         this.selector = Selector.open();  
  32.           
  33.         // 客戶端連接服務(wù)器,其實(shí)方法執(zhí)行并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)連接，需要在listen（）方法中調(diào)  
  34.         //用channel.finishConnect();才能完成連接  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
  36.         //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。  
  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
  38.     }  
  39.  
  40.     /**  
  41.      * 采用輪詢的方式監(jiān)聽(tīng)selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理  
  42.      * @throws IOException  
  43.      */ 
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  45.     public void listen() throws IOException {  
  46.         // 輪詢?cè)L問(wèn)selector  
  47.         while (true) {  
  48.             // 選擇一組可以進(jìn)行I/O操作的事件，放在selector中,客戶端的該方法不會(huì)阻塞，  
  49.             //這里和服務(wù)端的方法不一樣，查看api注釋可以知道，當(dāng)至少一個(gè)通道被選中時(shí)，  
  50.             //selector的wakeup方法被調(diào)用，方法返回，而對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，通道一直是被選中的  
  51.             selector.select();  
  52.             // 獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器  
  53.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  54.             while (ite.hasNext()) {  
  55.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  56.                 // 刪除已選的key,以防重復(fù)處理  
  57.                 ite.remove();  
  58.                 // 連接事件發(fā)生  
  59.                 if (key.isConnectable()) {  
  60.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
  61.                             .channel();  
  62.                     // 如果正在連接，則完成連接  
  63.                     if(channel.isConnectionPending()){  
  64.                         channel.finishConnect();  
  65.                           
  66.                     }  
  67.                     // 設(shè)置成非阻塞  
  68.                     channel.configureBlocking(false);  
  69.  
  70.                     //在這里可以給服務(wù)端發(fā)送信息哦  
  71.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服務(wù)端發(fā)送了一條信息").getBytes()));  
  72.                     //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。  
  73.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  74.                       
  75.                     // 獲得了可讀的事件  
  76.                 } else if (key.isReadable()) {  
  77.                         read(key);  
  78.                 }  
  79.  
  80.             }  
  81.  
  82.         }  
  83.     }  
  84.     /**  
  85.      * 處理讀取服務(wù)端發(fā)來(lái)的信息 的事件  
  86.      * @param key  
  87.      * @throws IOException   
  88.      */ 
  89.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  90.         //和服務(wù)端的read方法一樣  
  91.     }  
  92.       
  93.       
  94.     /**  
  95.      * 啟動(dòng)客戶端測(cè)試  
  96.      * @throws IOException   
  97.      */ 
  98.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  99.         NIOClient client = new NIOClient();  
  100.         client.initClient("localhost",8000);  
  101.         client.listen();  
  102.     }  
  103.  
  104. }  

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(guò)如果對(duì)java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。

原文鏈接：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

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責(zé)任編輯：林師授 來(lái)源： 逸情公子的博客
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