【转】Java NIO（二）
传统的并发型服务器设计是利用阻塞型网络I/O 以多线程的模式来实现的，然而由于系统常常在进行网络读写时处于阻塞状态，会大大影响系统的性能；自Java1. 4 开始引入了NIO(新I/O) API，通过使用非阻塞型I/O，实现流畅的网络读写操作，为开发高性能并发型服务器程序提供了一个很好的解决方案，这就是java nio。
首先来看下传统的阻塞型网络 I/O的不足
Java 平台传统的I/O 系统都是基于Byte（字节）和Stream（数据流）的，相应的I/O 操作都是阻塞型的，所以服务器程序也采用阻塞型I/O 进行数据的读、写操作。本文以TCP长连接模式来讨论并发型服务器的相关设计，为了实现服务器程序的并发性要求，系统由一个单独的主线程来监听用户发起的连接请求，一直处于阻塞状态；当有用户连接请求到来时，程序都会启一个新的线程来统一处理用户数据的读、写操作。
这种模式的优点是简单、实用、易管理；然而缺点也是显而易见的：由于是为每一个客户端分配一个线程来处理输入、输出数据，其线程与客户机的比例近似为1：1，随着线程数量的不断增加，服务器启动了大量的并发线程，会大大加大系统对线程的管理开销，这将成为吞吐量瓶颈的主要原因；其次由于底层的I/O 操作采用的同步模式，I/O 操作的阻塞管理粒度是以服务于请求的线程为单位的,有可能大量的线程会闲置,处于盲等状态，造成I/O资源利用率不高，影响整个系统的性能。
对于并发型服务器，系统用在阻塞型I/O 等待和线程间切换的时间远远多于CPU 在内存中处理数据的时间，因此传统的阻塞型I/O 已经成为制约系统性能的瓶颈。Java1.4 版本后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的异步输入输出机制，为提高系统的性能提供了可实现的基础机制。
NIO 包及工作原理
针对传统I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）的新模式；Selector（选择器）、可选择的Channel（通道）SelectionKey（选择键）配合起来使用，可以实现并发的非阻塞型I/O 能力。
NIO 工具包的成员
- Buffer（缓冲器）
Buffer 类是一个抽象类，它有7 个子类分别对应于七种基本的数据类型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一个Buffer对象相当于一个数据容器，可以把它看作内存中的一个大的数组，用来存储和提取所有基本类型(boolean 型除外)的数据。Buffer 类的核心是一块内存区，可以直接对其执行与内存有关的操作，利用操作系统特性和能力提高和改善Java 传统I/O 的性能。
- Channel（通道）
Channel 被认为是NIO 工具包的一大创新点，是(Buffer)缓冲器和I/O 服务之间的通道，具有双向性，既可以读入也可以写出，可以更高效的传递数据。我们这里主要讨论的是ServerSocketChannel 和SocketChannel，它们都继承了SelectableChannel，是可选择的通道，分别可以工作在同步和异步两种方式下（这里的可选择不是指可以选择两种工作方式，而是指可以有选择的注册自己感兴趣的事件）。当通道工作在同步方式时，它的功能和编程方法与传统的ServerSocket、Socket 对象相似；当通道工作在异步工作方式时，进行输入输出处理不必等到输入输出完毕才返回，并且可以将其感兴趣的（如：接受操作、连接操作、读出操作、写入操作）事件注册到Selector 对象上，与Selector 对象协同工作可以更有效率的支持和管理并发的网络套接字连接。 - Selector（选择器）
各类 Buffer 是数据的容器对象；各类Channel 实现在各类Buffer 与各类I/O 服务间传输数据。Selector 是实现并发型非阻塞I/O 的核心，各种可选择的通道将其感兴趣的事件注册到Selector 对象上，Selector 在一个循环中不断轮循监视这各些注册在其上的Socket 通道。为ServerSocketChannel 监控接收客户端连接就绪事件，为 SocketChannel 监控连接服务器就绪，读就绪和写就绪事件。 - ServerSocketChannel
ServerSocket 的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。 - SocketChannel
Socket 的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。 - SelectionKey
SelectionKey 类则封装了SelectableChannel 对象在Selector 中的注册信息。当Selector 监测到在某个注册的SelectableChannel 上发生了感兴趣的事件时,自动激活产生一个SelectionKey对象，这个对象中记录了哪一个SelectableChannel 上发生了哪种事件，通过对被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每个SelectableChannel 发生的具体事件类型,进行相应的处理。当一个 SelectionKey 对象位于Selector 对象的 selected-keys 集合中时，就表示与这个 SelectionKey 对象相关的事件发生了。 - 在SelectionKey 类中几个静态常量
SelectionKey.OP_ACCEPT -> 客户端连接就绪事件 等于监听serversocket.accept()返回一个socket
SelectionKey.OP_CONNECT -> 准备连接服务器就绪 跟上面类似,只不过是对于socket的 相当于监听了 socket.connect()
SelectionKey.OP_READ -> 读就绪事件, 表示输入流中已经有了可读数据, 可以执行读操作了
SelectionKey.OP_WRITE -> 写就绪事件
在使用传统的ServerSocket和Socket的时候 很多时候程序是会阻塞的。比如 serversocket.accept() , socket.getInputStream().read() 的时候都会阻塞 。
accept()方法除非等到客户端socket的连接或者被异常中断 否则会一直等待下去，read()方法也是如此 除非在输入流中有了足够的数据，否则该方法也会一直等待下去知道数据的到来。在ServerSocket与Socket的方式中 服务器端往往要为每一个客户端(socket)分配一个线程,而每一个线程都有可能处于长时间的阻塞状态中.而过多的线程也会影响服务器的性能，在JDK1.4引入了非阻塞的通信方式，这样使得服务器端只需要一个线程就能处理所有客户端socket的请求。
NIO 工作原理
通过上面的讨论，我们可以看出在并发型服务器程序中使用NIO，实际上是通过网络事件驱动模型实现的。我们应用Select 机制，不用为每一个客户端连接新启线程处理，而是将其注册到特定的Selector 对象上，这就可以在单线程中利用Selector 对象管理大量并发的网络连接，更好的利用了系统资源；采用非阻塞I/O 的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，从而减少了管理I/O 连接导致的系统开销，大幅度提高了系统性能。
当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector 中获得相应的SelectionKey ， 从SelectionKey 中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。由于在非阻塞网络I/O 中采用了事件触发机制，处理程序可以得到系统的主动通知，从而可以实现底层网络I/O 无阻塞、流畅地读写，而不像在原来的阻塞模式下处理程序需要不断循环等待。使用NIO，可以编写出性能更好、更易扩展的并发型服务器程序。
并发型服务器程序的实现代码
应用 NIO 工具包，基于非阻塞网络I/O 设计的并发型服务器程序与以往基于阻塞I/O 的实现程序有很大不同，在使用非阻塞网络I/O 的情况下，程序读取数据和写入数据的时机不是由程序员控制的，而是Selector 决定的。下面便给出基于非阻塞网络I/O 的并发型服务器程序的核心代码片段：
import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.ServerSocket; 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; import java.util.Set; public class NIOServer { /*标识数字*/ private int flag = 0; /*缓冲区大小*/ private int BLOCK = 4096; /*接受数据缓冲区*/ private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK); /*发送数据缓冲区*/ private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK); private Selector selector; public NIOServer(int port) throws IOException { // 打开服务器套接字通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 服务器配置为非阻塞 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 检索与此通道关联的服务器套接字 ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket(); // 进行服务的绑定 serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port)); // 通过open()方法找到Selector selector = Selector.open(); // 注册到selector，等待连接 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server Start----8888:"); } // 监听 private void listen() throws IOException { while (true) { // 应用Select机制轮循是否有用户感兴趣的新的网络事件发生，当没有新的网络事件发生时，此方法会阻塞，直到有新的网络事件发生为止。 selector.select(); // 返回此选择器的已选择键集。 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); System.out.println("selectionKeys size -> " + selectionKeys.size()); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); iterator.remove(); handleKey(selectionKey); } } } // 处理请求 private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException { // 接受请求 ServerSocketChannel server = null; SocketChannel client = null; String receiveText; String sendText; int count = 0; // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。 if (selectionKey.isAcceptable()) { System.out.println("------------- isAcceptable"); // 返回为之创建此键的通道。 server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel(); // 接受到此通道套接字的连接。 // 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。 client = server.accept(); // 配置为非阻塞 client.configureBlocking(false); // 注册到selector，等待连接 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { System.out.println("------------- isReadable"); // 返回为之创建此键的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取 receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中 count = client.read(receivebuffer); if (count > 0) { receiveText = new String(receivebuffer.array(), 0, count); System.out.println("服务器端接受客户端数据--:" + receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { System.out.println("------------- isWritable"); //将缓冲区清空以备下次写入 sendbuffer.clear(); // 返回为之创建此键的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText = "message from server--" + flag++; //向缓冲区中输入数据 sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位 sendbuffer.flip(); //输出到通道 client.write(sendbuffer); System.out.println("服务器端向客户端发送数据--：" + sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } /** * @param args * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { // TODO Auto-generated method stub int port = 8888; NIOServer server = new NIOServer(port); server.listen(); } }
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; import java.util.Set; public class NIOClient { /*标识数字*/ private static int flag = 0; /*缓冲区大小*/ private static int BLOCK = 4096; /*接受数据缓冲区*/ private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK); /*发送数据缓冲区*/ private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK); /*服务器端地址*/ private final static InetSocketAddress SERVER_ADDRESS = new InetSocketAddress("localhost", 8888); public static void main(String[] args) throws IOException { // TODO Auto-generated method stub // 打开socket通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 设置为非阻塞方式 socketChannel.configureBlocking(false); // 打开选择器 Selector selector = Selector.open(); // 注册连接服务端socket动作 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); // 连接 socketChannel.connect(SERVER_ADDRESS); // 分配缓冲区大小内存 Set<SelectionKey> selectionKeys; Iterator<SelectionKey> iterator; SelectionKey selectionKey; SocketChannel client; String receiveText; String sendText; int count = 0; while (true) { //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。 //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。 selector.select(); //返回此选择器的已选择键集。 selectionKeys = selector.selectedKeys(); //System.out.println(selectionKeys.size()); iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { selectionKey = iterator.next(); if (selectionKey.isConnectable()) { System.out.println("client connect"); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 判断此通道上是否正在进行连接操作。 // 完成套接字通道的连接过程。 if (client.isConnectionPending()) { client.finishConnect(); System.out.println("完成连接!"); sendbuffer.clear(); sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes()); sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); } client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取 receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中 count = client.read(receivebuffer); if (count > 0) { receiveText = new String(receivebuffer.array(), 0, count); System.out.println("客户端接受服务器端数据--:" + receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { sendbuffer.clear(); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText = "message from client--" + (flag++); sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位 sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); System.out.println("客户端向服务器端发送数据--：" + sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } selectionKeys.clear(); } } }
从上面对代码可以看出，使用非阻塞性I/O进行并发型服务器程序设计分三个部分：
- 向Selector对象注册感兴趣的事件。
- 从Selector中获取所感兴趣的事件。
- 根据不同的事件进行相应的处理。
结语
通过使用NIO 工具包进行并发型服务器程序设计，一个或者很少几个Socket 线程就可以处理成千上万个活动的Socket 连接，大大降低了服务器端程序的开销；同时网络I/O 采取非阻塞模式，线程不再在读或写时阻塞，操作系统可以更流畅的读写数据并可以更有效地向CPU 传递数据进行处理，以便更有效地提高系统的性能。
