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攻破 JAVA NIO 技术壁垒( 上 )

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (01-24) 102次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码
现在使用NIO的场景越来越多,很多网上的技术框架或多或少的使用NIO技术,譬如Tomcat,Jetty。学习和掌握NIO技术已经不是一个JAVA攻城狮的加分技能,而是一个必备技能。再者,现在互联网的面试中上点level的都会涉及一下NIO或者AIO的问题(AIO下次再讲述,本篇主要讲述NIO),掌握好NIO也能帮助你获得一份较好的offer。 驱使博主写这篇文章的关键是网上关于NIO的文章并不是很多,而且案例较少,针对这个特性,本文主要通过实际案例主要讲述NIO的用法,每个案例都经过实际检验。博主通过自己的理解以及一些案例希望能给各位在学习NIO之时多一份参考。博主能力有限,文中有不足之处欢迎之处。
概述
NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。
NIO和传统IO(一下简称IO)之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用read() 或 write()时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。
Channel
首先说一下Channel,国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream.而Channel是双向的,既可以用来进行读操作,又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有:
  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
这里看名字就可以猜出个所以然来:分别可以对应文件IO、UDP和TCP(Server和Client)。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。
Buffer
NIO中的关键Buffer实现有:ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer,分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等这里先不进行陈述。
Selector
Selector运行单线程处理多个Channel,如果你的应用打开了多个通道,但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。
FileChannel
看完上面的陈述,对于第一次接触NIO的同学来说云里雾里,只说了一些概念,也没记住什么,更别说怎么用了。这里开始通过传统IO以及更改后的NIO来做对比,以更形象的突出NIO的用法,进而使你对NIO有一点点的了解。
传统IO vs NIO
首先,案例1是采用FileInputStream读取文件内容的:
public static void method2(){
       InputStream in = null;
       try{
           in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(“src/nomal_io.txt”));
 
           byte [] buf = new byte[1024];
           int bytesRead = in.read(buf);
           while(bytesRead != -1)
           {
               for(int i=0;i<bytesRead;i++)
                   System.out.print((char)buf[i]);
               bytesRead = in.read(buf);
           }
       }catch (IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }finally{
           try{
               if(in != null){
                   in.close();
               }
           }catch (IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
输出结果:(略)
案例是对应的NIO(这里通过RandomAccessFile进行操作,当然也可以通过FileInputStream.getChannel()进行操作):
public static void method1(){
        RandomAccessFile aFile = null;
        try{
            aFile = new RandomAccessFile(“src/nio.txt”,”rw”);
            FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
 
            int bytesRead = fileChannel.read(buf);
            System.out.println(bytesRead);
 
            while(bytesRead != -1)
            {
                buf.flip();
                while(buf.hasRemaining())
                {
                    System.out.print((char)buf.get());
                }
 
                buf.compact();
                bytesRead = fileChannel.read(buf);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(aFile != null){
                    aFile.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
输出结果:(略)
通过仔细对比案例1和案例2,应该能看出个大概,最起码能发现NIO的实现方式比叫复杂。有了一个大概的印象可以进入下一步了。
Buffer的使用
从案例2中可以总结出使用Buffer一般遵循下面几个步骤:
  • 分配空间(ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 还有一种allocateDirector后面再陈述)
  • 写入数据到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
  • 调用filp()方法( buf.flip();)
  • 从Buffer中读取数据(System.out.print((char)buf.get());)
  • 调用clear()方法或者compact()方法
Buffer顾名思义:缓冲区,实际上是一个容器,一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道,但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图:
向Buffer中写数据:
  • 从Channel写到Buffer (fileChannel.read(buf))
  • 通过Buffer的put()方法 (buf.put(…))
从Buffer中读取数据:
  • 从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))
  • 使用get()方法从Buffer中读取数据 (buf.get())
可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表,它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态:capacity, position, limit, mark:
无图无真相,举例:我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个11个byte的数组的缓冲区,初始状态如上图,position的位置为0,capacity和limit默认都是数组长度。当我们写入5个字节时,变化如下图:
这时我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道,所以我们调用ByteBuffer.flip()方法,变化如下图所示(position设回0,并将limit设成之前的position的值):
这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前我们再调用clear()方法,缓冲区的索引位置又回到了初始位置。
调用clear()方法:position将被设回0,limit设置成capacity,换句话说,Buffer被清空了,其实Buffer中的数据并未被清楚,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先先写些数据,那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。
通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定的position,之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。
SocketChannel
说完了FileChannel和Buffer, 大家应该对Buffer的用法比较了解了,这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性,套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。例如,对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞;对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞,直到连接的另一端传来新的数据。总的来说,创建/接收连接或读写数据等I/O调用,都可能无限期地阻塞等待,直到底层的网络实现发生了什么。慢速的,有损耗的网络,或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是,在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为,以实现非阻塞式的信道。
channel.configureBlocking(false)
在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如,在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法,如果有连接请求来了,则返回客户端SocketChannel,否则返回null。
这里先举一个TCP应用案例,客户端采用NIO实现,而服务端依旧使用IO实现。
客户端代码(案例3):
public static void client(){
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        try
        {
            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);
                    }
                }
            }
        }
        catch (IOException | InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(socketChannel!=null){
                    socketChannel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
服务端代码(案例4):
public static void server(){
       ServerSocket serverSocket = null;
       InputStream in = null;
       try
       {
           serverSocket = new ServerSocket(8080);
           int recvMsgSize = 0;
           byte[] recvBuf = new byte[1024];
           while(true){
               Socket clntSocket = serverSocket.accept();
               SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();
               System.out.println(“Handling client at “+clientAddress);
               in = clntSocket.getInputStream();
               while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){
                   byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                   System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
                   System.out.println(new String(temp));
               }
           }
       }
       catch (IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       finally{
           try{
               if(serverSocket!=null){
                   serverSocket.close();
               }
               if(in!=null){
                   in.close();
               }
           }catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
输出结果:(略)
根据案例分析,总结一下SocketChannel的用法。
打开SocketChannel:
socketChannel = SocketChannel.open();
          socketChannel.connect(new InetSocketAddress(“10.10.195.115”,8080));
关闭:
serverSocket.close();
读取数据:
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);
                 }
注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。
非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。
TCP服务端的NIO写法
到目前为止,所举的案例中都没有涉及Selector。不要急,好东西要慢慢来。Selector类可以用于避免使用阻塞式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。例如,考虑一个IM服务器。像QQ或者旺旺这样的,可能有几万甚至几千万个客户端同时连接到了服务器,但在任何时刻都只是非常少量的消息。
需要读取和分发。这就需要一种方法阻塞等待,直到至少有一个信道可以进行I/O操作,并指出是哪个信道。NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。用专业术语来说,选择器就是一个多路开关选择器,因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。然而如果用传统的方式来处理这么多客户端,使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作,如果当前客户端有I/O操作,则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理,如果没有I/O操作则进行下一个轮询,当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询;这种方法是非常笨而且也非常浪费资源,因为大部分客户端是没有I/O操作,我们也要去检查;而Selector就不一样了,它在内部可以同时管理多个I/O,当一个信道有I/O操作的时候,他会通知Selector,Selector就是记住这个信道有I/O操作,并且知道是何种I/O操作,是读呢?是写呢?还是接受新的连接;所以如果使用Selector,它返回的结果只有两种结果,一种是0,即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作,另一种结果是一组需要I/O操作的客户端,这是你就根本不需要再检查了,因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多!
要使用选择器(Selector),需要创建一个Selector实例(使用静态工厂方法open())并将其注册(register)到想要监控的信道上(注意,这要通过channel的方法实现,而不是使用selector的方法)。最后,调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待,直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在,在一个单独的线程中,通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好,select()方法就会返回0,并允许程序继续执行其他任务。
下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式(案例5):
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 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();
    }
 
    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();
            }
        }
    }
}
下面来慢慢讲解这段代码。
ServerSocketChannel
打开ServerSocketChannel:
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
关闭ServerSocketChannel:
serverSocketChannel.close();
监听新进来的连接:
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}
ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept() 方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null.如:
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        while (true)
        {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel != null)
            {
                // do something with socketChannel…
            }
        }
Selector
Selector的创建:Selector selector = Selector.open();
为了将Channel和Selector配合使用,必须将Channel注册到Selector上,通过SelectableChannel.register()方法来实现,沿用案例5中的部分代码:
ssc= ServerSocketChannel.open();
           ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
           ssc.configureBlocking(false);
           ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
与Selector一起使用时,Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用,因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件:
1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write
通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。
这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示:
1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE
SelectionKey
当向Selector注册Channel时,register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性:
  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象(可选)
interest集合:就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。
ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后,你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合:
int readySet = selectionKey.readyOps();
可以用像检测interest集合那样的方法,来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是,也可以使用以下四个方法,它们都会返回一个布尔类型:
selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();
从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下:
Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();
可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上,这样就能方便的识别某个给定的通道。例如,可以附加 与通道一起使用的Buffer,或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下:
selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();
还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如:
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
通过Selector选择通道
一旦向Selector注册了一或多个通道,就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件(如连接、接受、读或写)已经准备就绪的那些通道。换句话说,如果你对“读就绪”的通道感兴趣,select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。
下面是select()方法:
  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()
select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
select(long timeout)和select()一样,除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
selectNow()不会阻塞,不管什么通道就绪都立刻返回(译者注:此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后,没有通道变成可选择的,则此方法直接返回零。)。
select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即,自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法,因为有一个通道变成就绪状态,返回了1,若再次调用select()方法,如果另一个通道就绪了,它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作,现在就有两个就绪的通道,但在每次select()方法调用之间,只有一个通道就绪了。
一旦调用了select()方法,并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了,然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法,访问“已选择键集(selected key set)”中的就绪通道。如下所示:
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
当像Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。
注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。
SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。
一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

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