IO模型之NIO代码及其实践详解

一、简介

　　NIO我们一般认为是New I/O（也是官方的叫法），因为它是相对于老的I/O类库新增的（ JDK 1.4中的java.nio.*包中引入新的Java I/O库）。但现在都称之为Non-blocking I/O，即非阻塞I/O，因为这样叫，更能体现它的特点。而下文中的NIO，不是指整个新的I/O库，而是非阻塞I/O。

　　NIO提供了与传统BIO模型中的Socket和ServerSocket相对应的SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

　　新增的着两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

　　阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

　　对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。

二、NIO实现基础

　　NIO对应linux IO 模型的IO多路复用模型，netty、tomcat（tomcat 6及以后版本，tomcat 6之前是基于BIO）的实现也是基于NIO。

　　　　　　　　　　　　　

 

　　I/O复用模型，是同步非阻塞，这里的非阻塞是指I/O读写，对应的是recvfrom操作，因为数据报文已经准备好，无需阻塞。说它是同步，是因为，这个执行是在一个线程里面执行的。有时候，还会说它又是阻塞的，实际上是指阻塞在select上面，必须等到读就绪、写就绪等网络事件。有时候我们又说I/O复用是多路复用，这里的多路是指N个连接，每一个连接对应一个channel，或者说多路就是多个channel。复用，是指多个连接复用了一个线程或者少量线程(在Tomcat中是Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors()))。

　　NIO的注册、轮询等待、读写操作协作关系如下图：

　　　　　　　　　　

　　1、多路复用器 Selector

　　Selector的英文含义是“选择器”，Selector是Java  NIO 编程的基础，也可以称为为“轮询代理器”、“事件订阅器”、“channel容器管理机”都行。

　　Selector中也会维护一个“已经注册的Channel”的容器(select使用数组，poll使用链表，epoll是红黑树+双向链表，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048(32*32/32*64)的限制，具体原理请转到7层网络以及5种Linux IO模型以及相应IO基础文章末尾部分)，应用程序将向Selector对象注册需要它关注的Channel，以及具体的某一个Channel会对哪些IO事件感兴趣。

　　Selector提供选择已经就绪的任务的能力：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。所以，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

　　2、通道 Channel

　　通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、套接字，所以Channel有这两种实现：SelectableChannel 用户网络读写；FileChannel 用于文件操作)的连接。

　　　　　　　　

　　其中SelectableChannel有以下几种实现：

• 所有被Selector（选择器）注册的通道，只能是继承了SelectableChannel类的子类。
• ServerSocketChannel：应用服务器程序的监听通道。只有通过这个通道，应用程序才能向操作系统注册支持“多路复用IO”的端口监听。同时支持UDP协议和TCP协议。
• ScoketChannel：TCP Socket套接字的监听通道，一个Socket套接字对应了一个客户端IP：端口 到 服务器IP：端口的通信连接。
• DatagramChannel：UDP 数据报文的监听通道。

　　Channel相比IO中的Stream流更加高效（底层的操作系统的通道一般都是全双工的，可以异步双向传输，所以全双工的Channel比流能更好的映射底层操作系统的API），但是必须和Buffer一起使用（若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的Channel通道以及用于容纳数据的缓冲区Buffer。然后操作缓冲区，对数据进行处理。即通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入）。也可以通过Channel通道向操作系统写数据。

　　3、缓冲区Buffer

　　Buffer是Channel操作读写的组件，包含一些要写入或者读出的数据。在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。

    具体的缓存区有这些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。但是在我们网络传输中都是使用byte数据类型。如图：

　　　　　　

　　Buffer中有三个重要参数：

　　位置（position）：当前缓冲区（Buffer）的位置，将从该位置往后读或写数据。

　　容量（capacity）：缓冲区的总容量上限。

　　上限（limit）：缓冲区的实际容量大小。

　　写模式下Position为写入多少数据的位数标识，Limit等于Capacity；读模式下从Position读到limit，Position为0。写读模式切换使用flip()方法。

　　flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

public Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

　　　　　　　　　　

三、代码实现

　　1、服务端代码实现

public class MultiplexerNioServer implements Runnable {

    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;
    private volatile boolean stop = false;

    /**
     * 初始化多路复用器 绑定监听端口
     *
     * @param port
     */
    public MultiplexerNioServer(int port) {
        try {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();//获得一个serverChannel
            selector = Selector.open();////创建选择器  获得一个多路复用器
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞模式 如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);//绑定一个端口和等待队列长度
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//把selector注册到channel，关注链接事件
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    public void stop() {
        this.stop = true;　　　　// 优雅停机
    }

    public void run() {
        while (!stop) {
            try {
                //无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次。如果一定时间内没有事件，就需要做些其他的事情，就可以使用带超时的
                int client = selector.select(1000);
                System.out.println("1:"+client);
                // 阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
　　　　　　　　　 // int client = selector.select(); 不设置超时时间为线程阻塞，但是IO上支持多个文件描述符就绪
                if (client == 0) {
                    continue;
                }
                System.out.println("2:"+client);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try {
                        //处理事件
                        handle(key);
                    } catch (Exception e) {
                        if (key != null) {
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null) {
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (Throwable e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {

            }
        }

        if (selector != null) {
            // selector关闭后会自动释放里面管理的资源
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        if (key.isValid()) {
            //连接事件
            if (key.isAcceptable()) {
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                // 通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例
                // 完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立
                SocketChannel sc = ssc.accept();//3次握手
                sc.configureBlocking(false);
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//连接建立后关注读事件
            }

            //读事件
            if (key.isReadable()) {
                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);//写 0 1024  1024
//                ByteBuffer readbuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); //申请直接内存，也就是堆外内存
                // 读取请求码流，返回读取到的字节数
                int readBytes = socketChannel.read(readbuffer);
                // 读取到字节，对字节进行编解码
                if (readBytes > 0) {
                    // 将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
                    readbuffer.flip();//读写模式反转
                    // 将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
                    byte[] bytes = new byte[readbuffer.remaining()];
                    readbuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes, "UTF-8");
                    System.out.println("input is:" + body);

                    res(socketChannel, body);
                }else if(readBytes < 0){
                    // 链路已经关闭 释放资源
                    key.cancel();
                    socketChannel.close();
                }else{
                    // 没有读到字节忽略
                }
            }

        }
    }

    private void res(SocketChannel channel, String response) throws IOException {
        if (response != null && response.length() > 0) {
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            channel.write(writeBuffer);
            System.out.println("res end");
        }
    }
}

　　可以看到，创建NIO服务端的主要步骤如下：

    1、打开ServerSocketChannel，监听客户端连接；

    2、绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式；

    3、创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程。

    4、将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的Selector上，监听ACCEPT事件

    5、Selector轮询准备就绪的key

    6、Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路

    7、设置客户端链路为非阻塞模式

    8、将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息

    9、异步读取客户端消息到缓冲区

    10、对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task

    11、将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端

　　2、服务端启动

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port=8080;
        MultiplexerNioServer nioServer=new MultiplexerNioServer(port);
        new Thread(nioServer,"nioserver-001").start();
    }
}

　　启动服务端后，打印堆栈信息可以看到，会一直阻塞在 select() 操作，等待请求的到来：

　　　　　　　　

　　通过控制台手动建立连接，测试如下：

　　　　　　　　

　　3、客户端代码实现

public class NioClientHandler implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean stop;

    public NioClientHandler(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
        try {
            // 创建选择器
            selector = Selector.open();
            // 打开监听通道
            socketChannel = SocketChannel.open();
            // 如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false); // 开启非阻塞模式
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    public void run() {
        try {
            doConnect();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        while (!stop) {
            try {
                int wait=selector.select(1000);
                if(wait==0){
                    continue;
                }
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;

                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try {
                        handle(key);
                    } catch (Exception e) {
                        if (key != null) {
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null) {
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
        if (selector != null) {
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void doConnect() throws IOException {
        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(socketChannel);
        }else{
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }

    private void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        if (key.isValid()) {
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            if (key.isConnectable()) {
                if (sc.finishConnect()) {
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    doWrite(sc);
                } else {
                    System.exit(1);
                }
            }
            if (key.isReadable()) {
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if (readBytes > 0) {
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes=new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body=new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("res"+body);
                    this.stop=true;
                }else if(readBytes<0){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }

            }
        }
    }
    
    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
        // 将消息编码为字节数组
        byte[] request = "0123456789".getBytes();
        // 根据数组容量创建ByteBuffer
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(request.length);
        // 将字节数组复制到缓冲区
        writeBuffer.put(request);
        // flip读写切换操作
        writeBuffer.flip();
        sc.write(writeBuffer);
        if (!writeBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println("写入完成");
        }
    }
}

　　4、启动客户端

public class NioClient {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new NioClientHandler("localhost", 8080), "nioClient-001").start();
    }
}

　　启动客户端后，会向服务端写一些数据，然后再从服务端接收数据，如下图所示：

　　　　　　　　　　　　 

 　　客户端获得服务端的回复后会自动断开同服务端的连接，客户端的一次请求就此完成。

四、BIO、NIO、AIO对比