javaNio的实现及代码

摘要: NIO是同步非阻塞的，数据首先通过操作系统级别缓存到buffer中，然后再行读取和写入的操作。首先创建chanel，将chanel注册到selector中，数据缓存到buffer，轮询，触发事件就进行读写操作。
需要注意的是：buffer在进行读操作的时候flip操作。limit在读操作的时候是position的大小，写操作的时候是capacity

要求写出io和nio的区别，从io的缺点以及nio的优点，减少了连接数量、抽象出来通道，以及技术实现，如NIO采用的buffer，Channel、selector多路复用器等技术要详细的说明。

以上是面试的时候需要回答的几个方面

Java NIO原理图文分析及代码实现
前言:

IO和NIO的区别（权威的详细的区别详见http://ifeve.com/java-nio-vs-io/）

内核空间、用户空间、计算机体系结构、计算机组成原理、……确实有点儿深奥。

我的新书《代码之谜》会有专门的章节讲解相关知识，现在写个简短的科普文：

就速度来说

CPU > 内存 > 硬盘

I

- 就是从硬盘到内存

O

- 就是从内存到硬盘


第一种方式：我从硬盘读取数据，然后程序一直等，

数据读完后，继续操作。这种方式是最简单的，叫阻塞IO。

第二种方式：我从硬盘读取数据，然后程序继续向下执行，等数据读取完后，通知当前程序（对硬件来说叫中断，对程序来说叫回调），然后此程序可以立即处理数据，也可以执行完当前操作在读取数据。

在以前的 Java IO 中，都是阻塞式 IO，NIO 引入了非阻塞式 IO。

还有一种就是同步 IO 和异步 IO。经常说的一个术语就是“异步非阻塞”，好象异步和非阻塞是同一回事，这大概是一个误区吧。

至于 Java NIO 的 Selector，在旧的 Java IO 系统中，是基于 Stream 的，即“流”，流式 IO。

当程序从硬盘往内存读取数据的时候，操作系统使用了 2 个“小伎俩”来提高性能，那就是预读，如果我读取了第一扇区的第三磁道的内容，那么你很有可能也会使用第二磁道和第四磁道的内容，所以操作系统会把附近磁道的内容提前读取出来，放在内存中，

即缓存。

（PS：以上过程简化了）

通过上面可以看到，操作系统是按块 Block从硬盘拿数据，就如同一个大脸盆，一下子就放入了一盆水。但是，当 Java 使用的时候，旧的 IO 确实基于 流 Stream的，也就是虽然操作系统给我了一脸盆水，但是我得用吸管慢慢喝。

于是，NIO 横空出世。

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）机制时，发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术：动态代理（动态代理可以参考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码，我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。

这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO

目录：
一．java NIO 和阻塞I/O的区别
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服务端和客户端代码实现

具体分析：

一．java NIO 和阻塞I/O的区别

1. 阻塞I/O通信模型

假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解，我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的，它会一直等到数据到来时（或超时）才会返回；同样，在调用ServerSocket.accept()方法时，也会一直阻塞到有客户端连接才会返回，每个客户端连接过来后，服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下：



如果你细细分析，一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型，我总结了它的两点缺点：
1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间

2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2. java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新I/O”，也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。
2. 事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。
3. 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

阅读过一些资料之后，下面贴出我理解的java NIO的工作原理图：



（注：每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。）

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，这种通信模型是怎么实现的呢？呵呵，我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向的流（stream），在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件：

事件名	对应值
服务端接收客户端连接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件	SelectionKey.OP_READ(1)
写事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图：



服务端

package com.ast.nio; 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.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; /** * nio服务端 * * @author root * */ public class Service implements Runnable { // 通道管理器 private Selector selector; /** * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的操作 * * @param port * 绑定的端口号 * @throws IOException */ public void initServer(int port) throws IOException { // 获得一个serverSorcket通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 设置通道为非阻塞 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 将该通道对应的serverSocket绑定到port端口 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); // 获得一个通道管理器 this.selector = Selector.open(); // 将该通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册selecttionKey.OP_ACCEPT事件，注册该事件后 // 当改时间到达时，selector.select()会返回，如果事件没有到达，selector.select()会一直阻塞 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); } /** * 采用轮询的方式监听selecttor上是否有需要处理的事件，如果有则进行处理 * * @throws IOException */ public void listen() throws IOException { System.out.println("服务端启动成功"); // 轮询访问selector while (true) { // 当注册的事件到达时，方法返回，否则该方法会一直阻塞 // 该处有疑问，此处所说的事件是否是刚才注册的事件，还是说所有的这个selector上只要有事件就会触发呢？如何校验呢？ selector.select(); // 获得selector中选中项的迭代器，选中的项为注册的事件 Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); while (ite.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); // 删除已经选的key，以防止重复处理 ite.remove(); // 客户端请求连接事件 if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key .channel(); // 获得和客户端连接的通道 SocketChannel channel = server.accept(); // 设置成非阻塞 channel.configureBlocking(false); // 在这里给客户端发送信息 channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("新建立一个连接成功") .getBytes())); // 在和客户端连接成功后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置°的权限 channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } // 获得了可读的事件 if (key.isReadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取客户端发来的信息的事件 * * @param key * @throws IOException */ public void read(SelectionKey key) throws IOException { // 服务器可读取消息：得到事件发生的socket通道 SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); channel.read(buffer); buffer.flip(); byte[] data = buffer.array(); buffer.clear(); String msg = new String(data).trim(); System.out.println("服务器端收到的信息：" + msg); ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); channel.write(outBuffer);// 将信息回送到客户端 } /** * 启动服务端测试 * * @param args * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { Service service = new Service(); // 初始化通道，并指定其端口 service.initServer(8000); service.listen(); } @Override public void run() { try { Service service = new Service(); // 初始化通道，并指定其端口 service.initServer(8000); service.listen(); } catch (Exception e) { } } }

客户端

package com.ast.nio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; /** * 客户端 * * @author root * */ public class Client implements Runnable{ // 通道管理器 private Selector selector; private String threadName ; public Client(String threadName){ this.threadName = threadName; } private void listen() throws IOException { //轮询访问selector while(true){ selector.select(); //获得selector中选中的项的迭代器 Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator(); while (ite.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next(); ite.remove(); //删除已选的key防止重复触发事件 /*在第一次的时候发起请求，如果存在持续的发送事件，则只会连接一次*/ if (key.isConnectable()) { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); //如果连接已经准备就绪，则完成连接 if (channel.isConnectionPending()) { channel.finishConnect(); } //设置成为非阻塞 channel.configureBlocking(false); //在这里可以给服务端发送信息 channel.write(ByteBuffer.wrap(new String(this.threadName+"_天下无贼").getBytes())); //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限 channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } if (key.isReadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取客户端发来的信息的事件 * * @param key * @throws IOException */ public void read(SelectionKey key) throws IOException { //服务器可读取消息：得到事件发生的socket通道 SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100); channel.read(buffer); buffer.flip(); byte[] data = buffer.array(); buffer.clear(); String msg = new String(data).trim(); FileChannel fileChannel = new System.err.println(this.threadName+"__客户端收到的信息："+msg); // ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); // channel.write(outBuffer);//将信息回送到客户端 } /** * 获得一个socket通道，并对该通道做一些初始化的操作 * * @param ip连接的服务器的IP * @param port * 连接服务器的端口号 * @throws IOException */ private void initClient(String ip, int port) throws IOException { // 获得一个socket通道 SocketChannel channel = SocketChannel.open(); // 设置通道为非阻塞 channel.configureBlocking(false); // 获得一个通道管理器 this.selector = Selector.open(); // 客户端连接服务器，其实方法执行并没有实现连接，需要在listen方法中调用channel。finishConnect();才能实现连接 channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port)); //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件 channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); } @Override public void run() { try { initClient("localhost", 8000); listen(); } catch (IOException e) { } } }

main方法

package com.ast.nio; public class Main { public static void main(String[] args) { Service service = new Service(); new Thread(service).start(); for (int i = 0; i < 1; i++) { new Thread(new Client(i + "")).start(); } } }