Java中的NIO非阻塞编程

平时工作中用到的IO主要是java.io包中的操作，比较少用到java.nio包中操作，最近遇到的比较多对性能要求较高的应用问题，查询了一些资料整理记录一下，方便以后查看。

在JDK1.4以前，Java的IO操作集中在java.io这个包中，是基于流的阻塞API。对于大多数应用来说，这样的API使用很方便，然而，一些对性能要求较高的应用，尤其是服务端应用，往往需要一个更为有效的方式来处理IO。从JDK1.5开始，NIO API作为一个基于缓存区，并能提供非阻塞IO操作的API被引入。

NIO所在的包为java.nio，其中的n表示non-blocking。但实际上我们可以把它理解为nio=new+io,因为NIO包实现了网络通信和I/O的联合功能，并将它们的结合发挥到极致，实现完美的网络非阻塞通信功能。



NIO引入：分析普通Socket通信中存在的I/O问题——阻塞通信，并分析传统的解决方法——线程池的优缺点，进而引入NIO解决方案：

①基于Socket通信存在的问题：I/O阻塞通信。

在介绍NIO之前，先了解传统I/O操作的方式。以网络应用为例，下图描述了一个典型的网络服务器结构的通信过程：



椭圆形内的操作会循环进行，并且监听连接、读取数据、写入数据的操作都是阻塞的。在ServerSocket类的生存期中，其重要功能如下：

首先创建ServerSocket：

//启动服务端：
ServerSocket server= new ServerSocket(12345);

然后接受新的连接请求：

//监听客户端
while(true){
Socket socket = server.accept();   //阻塞监听
}

对accept()的调用将一直阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦请求连接被接受，服务器可以读取客户Socket中的输入/输出数据，在读取调用时也会阻塞。下面的代码演示了这个过程：

//输入输出流
BufferReader is = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
PrintWriter os = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
//读取数据
String line;//垃圾字符串
while((line=is.readLine())!=null){//读阻塞
//回复数据
os.println(line);//写阻塞
os.flush();
}

在监听的位置accept()会被阻塞，并且在读写客户端数据时也会阻塞。因此这样的操作共造成了3个问题：

a、accept()方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求位置；

b、BufferedReader类的readLine()方法在其缓存区未满时将会造成线程阻塞，只有数据足够填满缓存区或者客户端关闭了套接字时，方法才会返回。

c、产生大量的String垃圾，BufferedReader创建了缓存区从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收，同样的问题在发送消息代码中也存在。

其中第一个问题是ServerSocket造成的阻塞，第二个问题是BufferedReader缓存造成的阻塞，第三个问题是String造成的垃圾。因此，以上的问题是Java I/O和Java网络通信共同造成的。

②传统的解决方法：使用线程池。

在JDK 1.4之前，自由使用线程池是处理阻塞问题最典型的办法。面对大量的客户端的请求，需要使用大量的线程，这时一般是实现一个线程池来处理请求，如图：



使用线程池的方法是：在服务端启动时创建线程池，当监听到客户端连接时，就为客户端创建一个线程，并将该线程放入线程池中即可。这样在该客户断开连接时，该客户端的处理线程就会被归还到线程池中，以提高线程的池化管理，提高线程的使用效率。实例代码如下：

public class TestThreadPool{
public static void main(String args[]){
boolean flag = true;
try{
//创建线程池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
//启动服务器
ServerSocket server = new ServerSocket(12345);
System.out.println("开始监听");
while(true){
//接受客户端连接
Socket socket = server.accept();
//为客户端创建一个独立线程
pool.execute(new ServiceThread(socket));
}
//关闭
server.close();
pool.shutdown();
}catch(IoException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

线程池使服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的IO操作上，没有有效利用CPU。

③最新的解决方案：NIO非阻塞通信。

从上面的分析可以看出，采用线程池的解决方法也会产生它自己的问题——线程开销，线程开销同时也影响性能和可伸缩性。不过，随着NIO的到来，一切都改变了。

NIO的非阻塞IO机制是围绕选择器和通道构建的。Channel类表示服务器和客户机直接的一种通信机制。与反应器模式一致，Selector类是Channel的多路复用器。Selector类将传入客户机请求多路分用，并将它们分派到各自的请求处理程序，实现对客户端请求事件的非阻塞监听，如下图：



在椭圆形区域中，Selector监听器负责轮循客户端的连接、读取和写入事件，这些事件的执行都不会被阻塞。并且为了提高执行的效率，NIO在读取和写入的数据中使用了缓存区。