Java NIO原理 圖文分析及代碼實現__Java

Java NIO原理圖文分析及代碼實現 
前言: 

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠端程序呼叫協議，它是一種通過網路從遠端電腦程式上請求服務，而不需要瞭解底層網路技術的協議。可以參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）機制時，發現hadoop的RPC機制的實現主要用到了兩個技術：動態代理（動態代理可以參考部落格：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的原理和具體實現。

這篇部落格我主要從兩個方向來分析java NIO

目錄：
一．java NIO 和阻塞I/O的區別
     1. 阻塞I/O通訊模型
     2. java NIO原理及通訊模型
二．java NIO服務端和用戶端代碼實現 

具體分析： 

一．java NIO 和阻塞I/O的區別 

1. 阻塞I/O通訊模型 

假如現在你對阻塞I/O已有了一定瞭解，我們知道阻塞I/O在調用InputStream.read()方法時是阻塞的，它會一直等到資料到來時（或逾時）才會返回；同樣，在調用ServerSocket.accept()方法時，也會一直阻塞到有用戶端串連才會返回，每個用戶端串連過來後，服務端都會啟動一個線程去處理該用戶端的請求。阻塞I/O的通訊模型示意圖如下：

 

 

如果你細細分析，一定會發現阻塞I/O存在一些缺點。根據阻塞I/O通訊模型，我總結了它的兩點缺點：
1. 當用戶端多時，會建立大量的處理線程。且每個線程都要佔用棧空間和一些CPU時間

2. 阻塞可能帶來頻繁的環境切換，且大部分環境切換可能是無意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應用前景。

2. java NIO原理及通訊模型 

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. 由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，並負責分發。 
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。 
3. 線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次環境切換都是有意義的。減少無謂的線程切換。 

閱讀過一些資料之後，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

 

 

（註：每個線程的處理流程大概都是讀取資料、解碼、計算處理、編碼、發送響應。）

Java NIO的服務端只需啟動一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，這種通訊模型是怎麼實現的呢。呵呵，我們一起來探究它的奧秘吧。java NIO採用了雙向通道（channel）進行資料轉送，而不是單向的流（stream），在通道上可以註冊我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

 

事件名	對應值
服務端接收用戶端串連事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
用戶端串連服務端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件	SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

 

服務端和用戶端各自維護一個管理通道的對象，我們稱之為selector，該對象能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件。我們以服務端為例，如果服務端的selector上註冊了讀事件，某時刻用戶端給服務端發送了一些資料，阻塞I/O這時會調用read()方法阻塞地讀取資料，而NIO的服務端會在selector中添加一個讀事件。服務端的處理線程會輪詢地訪問selector，如果訪問selector時發現有感興趣的事件到達，則處理這些事件，如果沒有感興趣的事件到達，則處理線程會一直阻塞直到感興趣的事件到達為止。下面是我理解的java NIO的通訊模型示意圖：

 

 

二．java NIO服務端和用戶端代碼實現 

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務端和用戶端的簡單代碼實現。

服務端：

  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服務端   * @author 小路   */   public class NIOServer {       //通道管理器       private Selector selector;          /**       * 獲得一個ServerSocket通道，並對該通道做一些初始化的工作       * @param port  綁定的連接埠號碼       * @throws IOException       */       public void initServer(int port) throws IOException {           // 獲得一個ServerSocket通道           ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();           // 設定通道為非阻塞           serverChannel.configureBlocking(false);           // 將該通道對應的ServerSocket綁定到port連接埠           serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));           // 獲得一個通道管理器           this.selector = Selector.open();           //將通道管理器和該通道綁定，並為該通道註冊SelectionKey.OP_ACCEPT事件,註冊該事件後，           //當該事件到達時，selector.select()會返回，如果該事件沒到達selector.select()會一直阻塞。           serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);       }          /**       * 採用輪詢的方式監聽selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進行處理       * @throws IOException       */       @SuppressWarnings("unchecked")       public void listen() throws IOException {           System.out.println("服務端啟動成功。");           // 輪詢訪問selector           while (true) {               //當註冊的事件到達時，方法返回；否則,該方法會一直阻塞               selector.select();               // 獲得selector中選中的項的迭代器，選中的項為註冊的事件               Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();               while (ite.hasNext()) {                   SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();                   // 刪除已選的key,以防重複處理                   ite.remove();                   // 用戶端請求串連事件                   if (key.isAcceptable()) {