JAVA NIO

引子

在學(xué)習(xí)一個(gè)新東西之前，都需要先知道為什么需要這個(gè)東西。NIO也是如此，它和之前的IO有什么區(qū)別，為了加深理解，我先從NIO涉及到的網(wǎng)絡(luò)方面來(lái)切入學(xué)習(xí)。

java 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)

java傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信分為客戶端程序和服務(wù)端程序兩個(gè)部分。
客戶端程序大致步驟為：

Socket socket = new Socket(...); // 打開(kāi)套接字， 負(fù)責(zé)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信
InputStream is = socket.getInputStream(); // 獲取流
in.nextLine(); // 讀取數(shù)據(jù)

服務(wù)端程序大致步驟為：

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(...); // 創(chuàng)建服務(wù)端套接字
Socket incoming = serverSocket.accept(...); // 監(jiān)聽(tīng)端口，等待客戶端連接
InputStream inputStream = incoming.getInputStream();  // 獲取流
// 處理邏輯，返回?cái)?shù)據(jù)給客戶端...

服務(wù)端這種寫法的問(wèn)題在于使用ServerSocket的accept()方法時(shí)會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線程阻塞，而且，getInputStream()讀方法同樣也會(huì)導(dǎo)致線程阻塞。只能支持一個(gè)客戶端連接服務(wù)器，為了支持多個(gè)客戶端同時(shí)連接服務(wù)器，需要修改服務(wù)端程序如下：

while(true){
  Socket income =s .accpet(); // 等待連接
  Thread t = new Thread(...); // 創(chuàng)建線程，將accept后的socket實(shí)例在線程內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)的邏輯處理
  t.start(); // 啟動(dòng)線程
}

這樣寫的好處在于，監(jiān)聽(tīng)到一個(gè)新的客戶端連接后，就創(chuàng)建一個(gè)新的線程，在新的線程內(nèi)部進(jìn)行讀寫操作，這樣就不會(huì)阻塞其他線程，就不會(huì)因?yàn)楫?dāng)前線程的讀寫操作影響到客戶端的連接了。當(dāng)然，accpet方法導(dǎo)致的阻塞問(wèn)題還是沒(méi)有解決，所以還是不能滿足高性能服務(wù)器的要求，為實(shí)現(xiàn)服務(wù)器更高的吞吐量，我們需要學(xué)習(xí)java的NIO。事實(shí)上，說(shuō)到這才剛開(kāi)始引出我今天要分享的主題:NIO。

NIO

NIO中涉及一些新的概念，上網(wǎng)閱讀了一些文章幫助理解，發(fā)現(xiàn)有篇文章寫得挺好，分享一下：
http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO，有需要可以先讀一下這篇文章：

Java NIO 核心部分如下：

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors

剛開(kāi)始學(xué)，我就簡(jiǎn)單的把Channels理解為連接，對(duì)標(biāo)Socket；把Buffers理解為緩沖區(qū)，是InputStream流和OutInputStream的集合，所以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸就是Channels和Buffers之間的數(shù)據(jù)傳遞。


channel-buffer

Channel和Buffer有好幾種類型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實(shí)現(xiàn)：

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

Selector允許單線程處理多個(gè) Channel,這是在一個(gè)單線程中使用一個(gè)Selector處理3個(gè)Channel的圖示：


捕獲.PNG

要使用Selector，得向Selector注冊(cè)Channel，然后調(diào)用它的select()方法。這個(gè)方法會(huì)一直阻塞到某個(gè)注冊(cè)的通道有事件就緒。一旦這個(gè)方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新連接進(jìn)來(lái)，數(shù)據(jù)接收等。

NIO和IO的區(qū)別

NIO和IO最大的區(qū)別就是IO是面向流的，NIO面向緩沖區(qū)的。IO的各種流是阻塞的，這意味著，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用read和writer方法時(shí)，該線程將被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或者數(shù)據(jù)完全被寫入，該線程在此期間不能再干任何事。NIO是非阻塞模式，使一個(gè)線程從某通道發(fā)送請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用數(shù)據(jù)，如果目前沒(méi)有數(shù)據(jù)可用，就什么都不會(huì)獲取，而不是保持線程阻塞，所以在變得數(shù)據(jù)可以獲取之前，線程可以先繼續(xù)做其他事情，非阻塞寫也是如此，一個(gè)線程請(qǐng)求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫完，這個(gè)線程同時(shí)也可以去做其他事情，線程通常將非阻塞IO的空閑時(shí)間用于其他通道上執(zhí)行IO操作，所以一個(gè)單獨(dú)的線程現(xiàn)在可以管理多個(gè)輸入和輸出通道（channel）。IO是單線程的，而NIO是用選擇器來(lái)模擬多線程的。

SocketChannel

SocketChannel是Channel的一種，本篇文章主要也是要討論網(wǎng)絡(luò)中涉及到的NIO，所以接下來(lái)來(lái)著重討論下SocketChannel。下面部分內(nèi)容參考https://blog.csdn.net/u011381576/article/details/79876754這篇文章，有需要的同學(xué)也可以看下這篇問(wèn)題。
NIO的channel抽象的一個(gè)重要特征就是可以通過(guò)配置它的阻塞行為，以實(shí)現(xiàn)非阻塞式的信道。

 channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上調(diào)用一個(gè)方法總是會(huì)立即返回。這種調(diào)用的返回值指示了所請(qǐng)求的操作完成的程度。例如，在一個(gè)非阻塞式ServerSocketChannel上調(diào)用accept()方法，如果有連接請(qǐng)求來(lái)了，則返回客戶端SocketChannel，否則返回null。
使用了SocketChannel后，客戶端程序可以寫作如下：

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));
        if(socketChannel.finishConnect())
        {
           int i=0;
           while(true)
           {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while(buffer.hasRemaining()){
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }

            if(socketChannel!=null){
                socketChannel.close();
            }
      }

服務(wù)端程序用到了selector選擇器，代碼如下：

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
}

注意：

  1. ServerSocketChannel可以設(shè)置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法會(huì)立刻返回，如果還沒(méi)有新進(jìn)來(lái)的連接,返回的將是null。 因此，需要檢查返回的SocketChannel是否是null。

Selector

Selector的創(chuàng)建：

Selector selector = Selector.open();

為了將Channel和Selector配合使用，必須將Channel注冊(cè)到Selector上，通過(guò)

SelectableChannel.register() //SelectableChannel是ServerSocketChannel的父類

方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
與Selector一起使用時(shí)，Channel必須處于非阻塞模式下。這意味著不能將FileChannel與Selector一起使用，因?yàn)镕ileChannel不能切換到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
register()方法的第二個(gè)參數(shù)。這是一個(gè)“interest集合”，意思是在通過(guò)Selector監(jiān)聽(tīng)Channel時(shí)對(duì)什么事件感興趣?？梢员O(jiān)聽(tīng)四種不同類型的事件：Connect，Accept， Read，Write。通道觸發(fā)了一個(gè)事件意思是該事件已經(jīng)就緒。所以，某個(gè)channel成功連接到另一個(gè)服務(wù)器稱為“連接就緒”。一個(gè)server socket channel準(zhǔn)備好接收新進(jìn)入的連接稱為“接收就緒”。一個(gè)有數(shù)據(jù)可讀的通道可以說(shuō)是“讀就緒”。等待寫數(shù)據(jù)的通道可以說(shuō)是“寫就緒”。這四種事件用SelectionKey的四個(gè)常量來(lái)表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

SelectionKey

當(dāng)向Selector注冊(cè)Channel時(shí)，register()方法會(huì)返回一個(gè)SelectionKey對(duì)象。這個(gè)對(duì)象包含了一些你感興趣的屬性：

  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的對(duì)象（可選）
    interest集合：就像向Selector注冊(cè)通道一節(jié)中所描述的，interest集合是你所選擇的感興趣的事件集合?？梢酝ㄟ^(guò)SelectionKey讀寫interest集合。
    ready 集合是通道已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的操作的集合。在一次選擇(Selection)之后，你會(huì)首先訪問(wèn)這個(gè)ready set。Selection將在下一小節(jié)進(jìn)行解釋。可以這樣訪問(wèn)ready集合：
int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像檢測(cè)interest集合那樣的方法，來(lái)檢測(cè)channel中什么事件或操作已經(jīng)就緒。但是，也可以使用以下四個(gè)方法，它們都會(huì)返回一個(gè)布爾類型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

從SelectionKey訪問(wèn)Channel和Selector很簡(jiǎn)單。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

通過(guò)Selector選擇通道

一旦向Selector注冊(cè)了一或多個(gè)通道，就可以調(diào)用幾個(gè)重載的select()方法。這些方法返回你所感興趣的事件（如連接、接受、讀或?qū)懀┮呀?jīng)準(zhǔn)備就緒的那些通道。換句話說(shuō)，如果你對(duì)“讀就緒”的通道感興趣，select()方法會(huì)返回讀事件已經(jīng)就緒的那些通道。

下面是select()方法：

int select()
int select(long timeout)
int selectNow()

select()阻塞到至少有一個(gè)通道在你注冊(cè)的事件上就緒了。
select(long timeout)和select()一樣，除了最長(zhǎng)會(huì)阻塞timeout毫秒(參數(shù))。
selectNow()不會(huì)阻塞，不管什么通道就緒都立刻返回（譯者注：此方法執(zhí)行非阻塞的選擇操作。如果自從前一次選擇操作后，沒(méi)有通道變成可選擇的，則此方法直接返回零。）。
select()方法返回的int值表示有多少通道已經(jīng)就緒。亦即，自上次調(diào)用select()方法后有多少通道變成就緒狀態(tài)。如果調(diào)用select()方法，因?yàn)橛幸粋€(gè)通道變成就緒狀態(tài)，返回了1，若再次調(diào)用select()方法，如果另一個(gè)通道就緒了，它會(huì)再次返回1。如果對(duì)第一個(gè)就緒的channel沒(méi)有做任何操作，現(xiàn)在就有兩個(gè)就緒的通道，但在每次select()方法調(diào)用之間，只有一個(gè)通道就緒了。
一旦調(diào)用了select()方法，并且返回值表明有一個(gè)或更多個(gè)通道就緒了，然后可以通過(guò)調(diào)用selector的selectedKeys()方法，訪問(wèn)“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

當(dāng)向Selector注冊(cè)Channel時(shí)，Channel.register()方法會(huì)返回一個(gè)SelectionKey 對(duì)象。這個(gè)對(duì)象代表了注冊(cè)到該Selector的通道。
注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()調(diào)用。Selector不會(huì)自己從已選擇鍵集中移除SelectionKey實(shí)例。必須在處理完通道時(shí)自己移除。下次該通道變成就緒時(shí)，Selector會(huì)再次將其放入已選擇鍵集中。
SelectionKey.channel()方法返回的通道需要轉(zhuǎn)型成你要處理的類型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

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