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Java NIO深入分析

  • 时间:2021-09-25 01:50 编辑: 来源: 阅读:
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摘要:Java NIO深入分析
以下我们系统通过原理,过程等方便给大家深入的简介了Java NIO的函数机制以及用法等,学习下吧。 [b]前言[/b] 本篇主要讲解Java中的IO机制 分为两块: 第一块讲解多线程下的IO机制 第二块讲解如何在IO机制下优化CPU资源的浪费(New IO) [b]Echo服务器[/b] 单线程下的socket机制就不用我介绍了,不懂得可以去查阅下资料 那么多线程下,如果进行套接字的使用呢? 我们使用最简单的echo服务器来帮助大家理解 首先,来看下多线程下服务端和客户端的工作流程图: [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271316.png[/img] 可以看到,多个客户端同时向服务端发送请求 服务端做出的措施是开启多个线程来匹配相对应的客户端 并且每个线程去独自完成他们的客户端请求 原理讲完了我们来看下是如何实现的 在这里我写了一个简单的服务器 用到了线程池的技术来创建线程(具体代码作用我已经加了注释):
public class MyServer {
  private static ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();  //创建一个线程池
  private static class HandleMsg implements Runnable{   //一旦有新的客户端请求,创建这个线程进行处理
  Socket client;   //创建一个客户端
  public HandleMsg(Socket client){  //构造传参绑定
   this.client = client;
  }
  @Override
  public void run() {
   BufferedReader bufferedReader = null;  //创建字符缓存输入流
   PrintWriter printWriter = null;   //创建字符写入流
   try {
    bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));  //获取客户端的输入流
    printWriter = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true);   //获取客户端的输出流,true是随时刷新
    String inputLine = null;
    long a = System.currentTimeMillis();
    while ((inputLine = bufferedReader.readLine())!=null){
     printWriter.println(inputLine);
    }
    long b = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("此线程花费了:"+(b-a)+"秒!");
   } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
   }finally {
    try {
     bufferedReader.close();
     printWriter.close();
     client.close();
    } catch (IOException e) {
     e.printStackTrace();
    }
   }
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws IOException {   //服务端的主线程是用来循环监听客户端请求
  ServerSocket server = new ServerSocket(8686);  //创建一个服务端且端口为8686
  Socket client = null;
  while (true){   //循环监听
   client = server.accept();  //服务端监听到一个客户端请求
   System.out.println(client.getRemoteSocketAddress()+"地址的客户端连接成功!");
   executorService.submit(new HandleMsg(client));  //将该客户端请求通过线程池放入HandlMsg线程中进行处理
  }
 }
}
上述代码中我们使用一个类编写了一个简单的echo服务器 在主线程中用死循环来开启端口监听 简单客户端 有了服务器,我们就可以对其进行访问,并且发送一些字符串数据 服务器的功能是返回这些字符串,并且打印出线程占用时间 下面来写个简单的客户端来响应服务端:
public class MyClient {
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  Socket client = null;
  PrintWriter printWriter = null;
  BufferedReader bufferedReader = null;
  try {
   client = new Socket();
   client.connect(new InetSocketAddress("localhost",8686));
   printWriter = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true);
   printWriter.println("hello");
   printWriter.flush();
   bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));   //读取服务器返回的信息并进行输出
   System.out.println("来自服务器的信息是:"+bufferedReader.readLine());
  } catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
  }finally {
   printWriter.close();
   bufferedReader.close();
   client.close();
  }
 }
}
代码中,我们用字符流发送了一个hello字符串过去,如果代码没问题 服务器会返回一个hello数据,并且打印出我们设置的日志信息 [b]echo服务器结果展示[/b] 我们来运行: 1.打开server,开启循环监听: [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271417.png[/img] 2.打开一个客户端: [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271418.png[/img] 可以看到客户端打印出了返回结果 3.查看服务端日志: [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271419.png[/img] 很好,一个简单的多线程套接字编程就实现了 但是试想一下: 如果一个客户端请求中,在IO写入到服务端过程中加入Sleep, 使每个请求占用服务端线程10秒 然后有大量的客户端请求,每个请求都占用那么长时间 那么服务端的并能能力就会大幅度下降 这并不是因为服务端有多少繁重的任务,而仅仅是因为服务线程在等待IO(因为accept,read,write都是阻塞式的) 让高速运行的CPU去等待及其低效的网络IO是非常不合算的行为 这时候该怎么办? [b]NIO[/b] New IO成功的解决了上述问题,它是怎样解决的呢? IO处理客户端请求的最小单位是线程 而NIO使用了比线程还小一级的单位:通道(Channel) 可以说,NIO中只需要一个线程就能完成所有接收,读,写等操作 要学习NIO,首先要理解它的三大核心 Selector,选择器 Buffer,缓冲区 Channel,通道 博主不才,画了张丑图给大家加深下印象 ^ . ^ [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271520.png[/img] 再给一张TCP下的NIO工作流程图(好难画的线条...) [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271521.png[/img] 大家大致看懂就行,我们一步步来 [b]Buffer[/b] 首先要知道什么是Buffer 在NIO中数据交互不再像IO机制那样使用流 而是使用Buffer(缓冲区) 博主觉得图才是最容易理解的 所以... [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271622.png[/img] 可以看出Buffer在整个工作流程中的位置 来点实际点的,上面图中的具体代码如下: 1.首先给Buffer分配空间,以字节为单位
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
创建一个ByteBuffer对象并且指定内存大小 2.向Buffer中写入数据:
1).数据从Channel到Buffer:channel.read(byteBuffer);
2).数据从Client到Buffer:byteBuffer.put(...);
3.从Buffer中读取数据:
1).数据从Buffer到Channel:channel.write(byteBuffer);
2).数据从Buffer到Server:byteBuffer.get(...);
  [b]Selector[/b] 选择器是NIO的核心,它是channel的管理者 通过执行select()阻塞方法,监听是否有channel准备好 一旦有数据可读,此方法的返回值是SelectionKey的数量 所以服务端通常会死循环执行select()方法,直到有channl准备就绪,然后开始工作 每个channel都会和Selector绑定一个事件,然后生成一个SelectionKey的对象 需要注意的是: channel和Selector绑定时,channel必须是非阻塞模式 而FileChannel不能切换到非阻塞模式,因为它不是套接字通道,所以FileChannel不能和Selector绑定事件 在NIO中一共有四种事件: 1.SelectionKey.OP_CONNECT:连接事件 2.SelectionKey.OP_ACCEPT:接收事件 3.SelectionKey.OP_READ:读事件 4.SelectionKey.OP_WRITE:写事件 [b]Channel[/b] 共有四种通道: FileChannel:作用于IO文件流 DatagramChannel:作用于UDP协议 SocketChannel:作用于TCP协议 ServerSocketChannel:作用于TCP协议 本篇文章通过常用的TCP协议来讲解NIO 我们以ServerSocketChannel为例: 打开一个ServerSocketChannel通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
  关闭ServerSocketChannel通道:
serverSocketChannel.close();
  循环监听SocketChannel:
while(true){
 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
 clientChannel.configureBlocking(false);
}
  [code]clientChannel.configureBlocking(false);[/code]语句是将此通道设置为非阻塞,也就是异步 自由控制阻塞或非阻塞便是NIO的特性之一 [b]SelectionKey[/b] SelectionKey是通道和选择器交互的核心组件 比如在SocketChannel上绑定一个Selector,并注册为连接事件:
SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
clientChannel.configureBlocking(false);
clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port));
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  核心在register()方法,它返回一个SelectionKey对象 来检测channel事件是那种事件可以使用以下方法:
selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();
  服务端便是通过这些方法 在轮询中执行相对应操作 当然通过Channel与Selector绑定的key也可以反过来拿到他们
Channel channel = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();
  在Channel上注册事件时,我们也可以顺带绑定一个Buffer:
clientChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(1024));
  或者绑定一个Object:
selectionKey.attach(Object);
Object anthorObj = selectionKey.attachment();
  [b]NIO的TCP服务端[/b] 讲了这么多,都是理论 我们来看下最简单也是最核心的代码(加那么多注释很不优雅,但方便大家看懂):
package cn.blog.test.NioTest;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class MyNioServer {
 private Selector selector;   //创建一个选择器
 private final static int port = 8686;
 private final static int BUF_SIZE = 10240;
 private void initServer() throws IOException {
  //创建通道管理器对象selector
  this.selector=Selector.open();
  //创建一个通道对象channel
  ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
  channel.configureBlocking(false);  //将通道设置为非阻塞
  channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  //将通道绑定在8686端口
  //将上述的通道管理器和通道绑定,并为该通道注册OP_ACCEPT事件
  //注册事件后,当该事件到达时,selector.select()会返回(一个key),如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞
  SelectionKey selectionKey = channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
  while (true){  //轮询
   selector.select();   //这是一个阻塞方法,一直等待直到有数据可读,返回值是key的数量(可以有多个)
   Set keys = selector.selectedKeys();   //如果channel有数据了,将生成的key访入keys集合中
   Iterator iterator = keys.iterator();  //得到这个keys集合的迭代器
   while (iterator.hasNext()){    //使用迭代器遍历集合
    SelectionKey key = (SelectionKey) iterator.next();  //得到集合中的一个key实例
    iterator.remove();   //拿到当前key实例之后记得在迭代器中将这个元素删除,非常重要,否则会出错
    if (key.isAcceptable()){   //判断当前key所代表的channel是否在Acceptable状态,如果是就进行接收
     doAccept(key);
    }else if (key.isReadable()){
     doRead(key);
    }else if (key.isWritable() && key.isValid()){
     doWrite(key);
    }else if (key.isConnectable()){
     System.out.println("连接成功!");
    }
   }
  }
 }
 public void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {
  ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
  System.out.println("ServerSocketChannel正在循环监听");
  SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
  clientChannel.configureBlocking(false);
  clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);
 }
 public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
  long bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);
  while (bytesRead>0){
   byteBuffer.flip();
   byte[] data = byteBuffer.array();
   String info = new String(data).trim();
   System.out.println("从客户端发送过来的消息是:"+info);
   byteBuffer.clear();
   bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);
  }
  if (bytesRead==-1){
   clientChannel.close();
  }
 }
 public void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {
  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
  byteBuffer.flip();
  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
  while (byteBuffer.hasRemaining()){
   clientChannel.write(byteBuffer);
  }
  byteBuffer.compact();
 }
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  MyNioServer myNioServer = new MyNioServer();
  myNioServer.initServer();
 }
}
  我打印了监听channel,告诉大家ServerSocketChannel是在什么时候开始运行的 如果配合NIO客户端的debug,就能很清楚的发现,进入select()轮询前 虽然已经有了ACCEPT事件的KEY,但select()默认并不会去调用 而是要等待有其它感兴趣事件被select()捕获之后,才会去调用ACCEPT的SelectionKey 这时候ServerSocketChannel才开始进行循环监听 也就是说一个Selector中,始终保持着ServerSocketChannel的运行 而[code]serverChannel.accept();[/code]真正做到了异步(在initServer方法中的channel.configureBlocking(false);) 如果没有接受到connect,会返回一个null 如果成功连接了一个SocketChannel,则此SocketChannel会注册写入(READ)事件 并且设置为异步 NIO的TCP客户端 有服务端必定有客户端 其实如果能完全理解了服务端 客户端的代码大同小异
package cn.blog.test.NioTest;
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;
public class MyNioClient {
 private Selector selector;   //创建一个选择器
 private final static int port = 8686;
 private final static int BUF_SIZE = 10240;
 private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
 private void initClient() throws IOException {
  this.selector = Selector.open();
  SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
  clientChannel.configureBlocking(false);
  clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port));
  clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  while (true){
   selector.select();
   Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
   while (iterator.hasNext()){
    SelectionKey key = iterator.next();
    iterator.remove();
    if (key.isConnectable()){
     doConnect(key);
    }else if (key.isReadable()){
     doRead(key);
    }
   }
  }
 }
 public void doConnect(SelectionKey key) throws IOException {
  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
  if (clientChannel.isConnectionPending()){
   clientChannel.finishConnect();
  }
  clientChannel.configureBlocking(false);
  String info = "服务端你好!!";
  byteBuffer.clear();
  byteBuffer.put(info.getBytes("UTF-8"));
  byteBuffer.flip();
  clientChannel.write(byteBuffer);
  //clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);
  clientChannel.close();
 }
 public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
  clientChannel.read(byteBuffer);
  byte[] data = byteBuffer.array();
  String msg = new String(data).trim();
  System.out.println("服务端发送消息:"+msg);
  clientChannel.close();
  key.selector().close();
 }
 public static void main(String[] args) throws IOException {
  MyNioClient myNioClient = new MyNioClient();
  myNioClient.initClient();
 }
}

输出结果 这里我打开一个服务端,两个客户端: [img]http://files.jb51.net/file_images/article/201712/2017120709271623.png[/img] 接下来,你可以试下同时打开一千个客户端,只要你的CPU够给力,服务端就不可能因为阻塞而降低性能 以上便是Java NIO的基础详解,如果大家还有什么不明白的地方可以在下方的留言区域讨论。
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