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Java NIO详解

rickchen / 1011人阅读

摘要：前言本篇主要讲解中的机制和网络通讯中处理高并发的分为两块第一块讲解多线程下的机制第二块讲解如何在机制下优化资源的浪费服务器单线程下的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服务器来帮助大

前言

本篇主要讲解Java中的IO机制和网络通讯中处理高并发的NIO

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）

Echo服务器

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：

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

echo服务器结果展示

我们来运行：
1.打开server，开启循环监听：

2.打开一个客户端：

可以看到客户端打印出了返回结果

3.查看服务端日志：

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？

NIO

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 ^ . ^

再给一张TCP下的NIO工作流程图（好难画的线条...）

大家大致看懂就行，我们一步步来

Buffer

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...

可以看出Buffer在整个工作流程中的位置

buffer实际上是一个容器，一个连续数组，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：
1.capacity：容量，缓冲区能容纳元素的数量
2.position：当前位置，是缓冲区中下一次发生读取和写入操作的索引，当前位置通过大多数读写操作向前推进
3.limit：界限，是缓冲区中最后一个有效位置之后下一个位置的索引
如图：

几个常用方法：

.flip()        //将limit设置为position，然后position重置为0，返回对缓冲区的引用
.clear()        //清空调用缓冲区并返回对缓冲区的引用

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(...);
Selector

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

Channel

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);
}

clientChannel.configureBlocking(false);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

SelectionKey

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();
NIO的TCP服务端

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serverChannel.accept();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 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：

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
谢谢阅读和关注～

云服务器 GPU云服务器 java nio nio java JAVA_NIO java nio实现

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