Java NIO原理图文分析及代码实现  

前言:
最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考:http://baike.baidu.com/view/32726.htm)机制时,发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术:动态代理(动态代理可以参考博客:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774)和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码,我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。
这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO
目录:
一.java NIO 和阻塞I/O的区别
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二.java NIO服务端和客户端代码实现
具体分析:
一.java NIO 和阻塞I/O的区别
1. 阻塞I/O通信模型
假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解,我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来时(或超时)才会返回;同样,在调用ServerSocket.accept()方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下:
如果你细细分析,一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型,我总结了它的两点缺点:
1. 当客户端多时,会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换,且大部分上下文切换可能是无意义的。
在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。
2. java NIO原理及通信模型
Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新I/O”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:
1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。 
2. 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。 
3. 线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。
阅读过一些资料之后,下面贴出我理解的java NIO的工作原理图:
(注:每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。)
Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,这种通信模型是怎么实现的呢?呵呵,我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道(channel)进行数据传输,而不是单向的流(stream),在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件:
事件名对应值
服务端接收客户端连接事件SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件SelectionKey.OP_READ(1)
写事件SelectionKey.OP_WRITE(4)
服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象,我们称之为selector,该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例,如果服务端的selector上注册了读事件,某时刻客户端给服务端发送了一些数据,阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据,而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector,如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达,则处理这些事件,如果没有感兴趣的事件到达,则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图:
二.java NIO服务端和客户端代码实现
为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。
服务端:
  • 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服务端 
  •  * @author 小路 
  •  */ 
  • public class NIOServer { 
  •  //通道管理器 
  •  private Selector selector; 
  •  
  •  /** 
  •   * 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作 
  •   * @param port 绑定的端口号 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public void initServer(int port) throws IOException { 
  •   // 获得一个ServerSocket通道 
  •   ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open(); 
  •   // 设置通道为非阻塞 
  •   serverChannel.configureBlocking(false); 
  •   // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口 
  •   serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); 
  •   // 获得一个通道管理器 
  •   this.selector = Selector.open(); 
  •   //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后, 
  •   //当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。 
  •   serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
  •  } 
  •  
  •  /** 
  •   * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  @SuppressWarnings("unchecked") 
  •  public void listen() throws IOException { 
  •   System.out.println("服务端启动成功!"); 
  •   // 轮询访问selector 
  •   while (true) { 
  •    //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞 
  •    selector.select(); 
  •    // 获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件 
  •    Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); 
  •    while (ite.hasNext()) { 
  •     SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); 
  •     // 删除已选的key,以防重复处理 
  •     ite.remove(); 
  •     // 客户端请求连接事件 
  •     if (key.isAcceptable()) { 
  •      ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key 
  •        .channel(); 
  •      // 获得和客户端连接的通道 
  •      SocketChannel channel = server.accept(); 
  •      // 设置成非阻塞 
  •      channel.configureBlocking(false); 
  •  
  •      //在这里可以给客户端发送信息哦 
  •      channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes())); 
  •      //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。 
  •      channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); 
  •       
  •      // 获得了可读的事件 
  •     } else if (key.isReadable()) { 
  •       read(key); 
  •     } 
  •  
  •    } 
  •  
  •   } 
  •  } 
  •  /** 
  •   * 处理读取客户端发来的信息 的事件 
  •   * @param key 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public void read(SelectionKey key) throws IOException{ 
  •   // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道 
  •   SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); 
  •   // 创建读取的缓冲区 
  •   ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); 
  •   channel.read(buffer); 
  •   byte[] data = buffer.array(); 
  •   String msg = new String(data).trim(); 
  •   System.out.println("服务端收到信息:"+msg); 
  •   ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); 
  •   channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端 
  •  } 
  •   
  •  /** 
  •   * 启动服务端测试 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public static void main(String[] args) throws IOException { 
  •   NIOServer server = new NIOServer(); 
  •   server.initServer(8000); 
  •   server.listen(); 
  •  } 
  •  
  •  
  •  
客户端:
  • 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客户端 
  •  * @author 小路 
  •  */ 
  • public class NIOClient { 
  •  //通道管理器 
  •  private Selector selector; 
  •  
  •  /** 
  •   * 获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作 
  •   * @param ip 连接的服务器的ip 
  •   * @param port 连接的服务器的端口号   
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public void initClient(String ip,int port) throws IOException { 
  •   // 获得一个Socket通道 
  •   SocketChannel channel = SocketChannel.open(); 
  •   // 设置通道为非阻塞 
  •   channel.configureBlocking(false); 
  •   // 获得一个通道管理器 
  •   this.selector = Selector.open(); 
  •    
  •   // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接,需要在listen()方法中调 
  •   //用channel.finishConnect();才能完成连接 
  •   channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port)); 
  •   //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。 
  •   channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); 
  •  } 
  •  
  •  /** 
  •   * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  @SuppressWarnings("unchecked") 
  •  public void listen() throws IOException { 
  •   // 轮询访问selector 
  •   while (true) { 
  •    selector.select(); 
  •    // 获得selector中选中的项的迭代器 
  •    Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); 
  •    while (ite.hasNext()) { 
  •     SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); 
  •     // 删除已选的key,以防重复处理 
  •     ite.remove(); 
  •     // 连接事件发生 
  •     if (key.isConnectable()) { 
  •      SocketChannel channel = (SocketChannel) key 
  •        .channel(); 
  •      // 如果正在连接,则完成连接 
  •      if(channel.isConnectionPending()){ 
  •       channel.finishConnect(); 
  •        
  •      } 
  •      // 设置成非阻塞 
  •      channel.configureBlocking(false); 
  •  
  •      //在这里可以给服务端发送信息哦 
  •      channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes())); 
  •      //在和服务端连接成功之后,为了可以接收到服务端的信息,需要给通道设置读的权限。 
  •      channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); 
  •       
  •      // 获得了可读的事件 
  •     } else if (key.isReadable()) { 
  •       read(key); 
  •     } 
  •  
  •    } 
  •  
  •   } 
  •  } 
  •  /** 
  •   * 处理读取服务端发来的信息 的事件 
  •   * @param key 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public void read(SelectionKey key) throws IOException{ 
  •   //和服务端的read方法一样 
  •  } 
  •   
  •   
  •  /** 
  •   * 启动客户端测试 
  •   * @throws IOException 
  •   */ 
  •  public static void main(String[] args) throws IOException { 
  •   NIOClient client = new NIOClient(); 
  •   client.initClient("localhost",8000); 
  •   client.listen(); 
  •  } 
  •  
  •  
小结:
终于把动态代理和java NIO分析完了,呵呵,下面就要分析hadoop的RPC机制源码了,博客地址:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898。不过如果对java NIO的理解存在异议的,欢迎一起讨论。
如需转载,请注明出处:http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656
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