Java NIO原理图文分析及代码实现

【本文转载于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：

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：

Java代码  

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服务端 
14.  * @author 小路 
15.  */  
16. public class NIOServer {  
17.     //通道管理器  
18.     private Selector selector;  
19.   
20.     /** 
21.      * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
22.      * @param port  绑定的端口号 
23.      * @throws IOException 
24.      */  
25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
26.         // 获得一个ServerSocket通道  
27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
28.         // 设置通道为非阻塞  
29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
32.         // 获得一个通道管理器  
33.         this.selector = Selector.open();  
34.         //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，  
35.         //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。  
36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
37.     }  
38.   
39.     /** 
40.      * 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 
41.      * @throws IOException 
42.      */  
43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
44.     public void listen() throws IOException {  
45.         System.out.println("服务端启动成功！");  
46.         // 轮询访问selector  
47.         while (true) {  
48.             //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞  
49.             selector.select();  
50.             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件  
51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
52.             while (ite.hasNext()) {  
53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
55.                 ite.remove();  
56.                 // 客户端请求连接事件  
57.                 if (key.isAcceptable()) {  
58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
59.                             .channel();  
60.                     // 获得和客户端连接的通道  
61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
62.                     // 设置成非阻塞  
63.                     channel.configureBlocking(false);  
64.   
65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
67.                     //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。  
68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
69.                       
70.                     // 获得了可读的事件  
71.                 } else if (key.isReadable()) {  
72.                         read(key);  
73.                 }  
74.   
75.             }  
76.   
77.         }  
78.     }  
79.     /** 
80.      * 处理读取客户端发来的信息 的事件 
81.      * @param key 
82.      * @throws IOException  
83.      */  
84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
87.         // 创建读取的缓冲区  
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("服务端收到信息："+msg);  
93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
95.     }  
96.       
97.     /** 
98.      * 启动服务端测试 
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. }  

客户端： 

Java代码  

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客户端 
13.  * @author 小路 
14.  */  
15. public class NIOClient {  
16.     //通道管理器  
17.     private Selector selector;  
18.   
19.     /** 
20.      * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 
21.      * @param ip 连接的服务器的ip 
22.      * @param port  连接的服务器的端口号          
23.      * @throws IOException 
24.      */  
25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
26.         // 获得一个Socket通道  
27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
28.         // 设置通道为非阻塞  
29.         channel.configureBlocking(false);  
30.         // 获得一个通道管理器  
31.         this.selector = Selector.open();  
32.           
33.         // 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  
34.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  
35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
36.         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。  
37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
38.     }  
39.   
40.     /** 
41.      * 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 
42.      * @throws IOException 
43.      */  
44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
45.     public void listen() throws IOException {  
46.         // 轮询访问selector  
47.         while (true) {  
48.             selector.select();  
49.             // 获得selector中选中的项的迭代器  
50.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
51.             while (ite.hasNext()) {  
52.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
53.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
54.                 ite.remove();  
55.                 // 连接事件发生  
56.                 if (key.isConnectable()) {  
57.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
58.                             .channel();  
59.                     // 如果正在连接，则完成连接  
60.                     if(channel.isConnectionPending()){  
61.                         channel.finishConnect();  
62.                           
63.                     }  
64.                     // 设置成非阻塞  
65.                     channel.configureBlocking(false);  
66.   
67.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  
68.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  
69.                     //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。  
70.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
71.                       
72.                     // 获得了可读的事件  
73.                 } else if (key.isReadable()) {  
74.                         read(key);  
75.                 }  
76.   
77.             }  
78.   
79.         }  
80.     }  
81.     /** 
82.      * 处理读取服务端发来的信息 的事件 
83.      * @param key 
84.      * @throws IOException  
85.      */  
86.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
87.         //和服务端的read方法一样  
88.     }  
89.       
90.       
91.     /** 
92.      * 启动客户端测试 
93.      * @throws IOException  
94.      */  
95.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
96.         NIOClient client = new NIOClient();  
97.         client.initClient("localhost",8000);  
98.         client.listen();  
99.     }  
100.   
101. }  

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。