Java NIO系列教程（一） Java NIO 概述

作者：Albert.Wen 添加时间：2015-02-08 19:42:11 修改时间：2024-11-04 08:47:16 分类：07.Java基础编辑

一、阻塞IO与非阻塞IO

阻塞IO:

通常在进行同步I/O操作时，如果读取数据，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样，写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR（Thread per Request）,服务器会为每个客户端请求建立一个线程，由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增，大量的线程会增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这由带来了新的问题，如果线程池中有200个线程，而有200个用户都在进行大文件下载，会导致第201个用户的请求无法及时处理，即便第201个用户只想请求一个几KB大小的页面。传统的 Server/Client模式如下图所示：

非阻塞IO(NIO):

NIO中非阻塞I/O采用了基于Reactor模式的工作方式，I/O调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特定I/O事件，如可读数据到达，新的套接字连接等等，在发生特定事件时，系统再通知我们。NIO中实现非阻塞I/O的核心对象就是Selector，Selector就是注册各种I/O事件地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件，如下图所示：

从图中可以看出，当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector中获得相应的SelectionKey，同时从 SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。

非阻塞指的是IO事件本身不阻塞,但是获取IO事件的select()方法是需要阻塞等待的.区别是阻塞的IO会阻塞在IO操作上, NIO阻塞在事件获取上,没有事件就没有IO, 从高层次看IO就不阻塞了.也就是说只有IO已经发生那么我们才评估IO是否阻塞,但是select()阻塞的时候IO还没有发生,何谈IO的阻塞呢?NIO的本质是延迟IO操作到真正发生IO的时候,而不是以前的只要IO流打开了就一直等待IO操作。

二.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：

由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。
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。
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：

三、Java NIO 概述

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

Channels
Buffers
Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件，但在我看来，Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。因此，在概述中我将集中在这三个组件上。其它组件会在单独的章节中讲到。

Channel 和 Buffer

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：

Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

正如你所看到的，这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

与这些类一起的有一些有趣的接口，但为简单起见，我尽量在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。

以下是Java NIO里关键的Buffer实现：

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Java NIO 还有个 MappedByteBuffer，用于表示内存映射文件，我也不打算在概述中说明。

Selector

Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（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。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

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，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

NIO使用步骤

服务端步骤：

步骤一：打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道，代码示例如下：

ServerSocketChannel acceptorSvr = ServerSocketChannel.open();

步骤二：绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式，示例代码如下：

acceptorSvr.socket().bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(“IP”), port));
acceptorSvr.configureBlocking(false);

步骤三：创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程，代码如下：

Selector selector = Selector.open();
New Thread(new ReactorTask()).start();

步骤四：将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件，代码如下：

SelectionKey key = acceptorSvr.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, ioHandler);

步骤五：多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的Key，代码如下：

int num = selector.select();
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
     SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
     // ... deal with I/O event ...
}

步骤六：多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路，代码示例如下：

SocketChannel channel = svrChannel.accept();

步骤七：设置客户端链路为非阻塞模式，示例代码如下：

channel.configureBlocking(false);
channel.socket().setReuseAddress(true);

步骤八：将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，用来读取客户端发送的网络消息，代码如下：

SelectionKey key = socketChannel.register( selector, SelectionKey.OP_READ, ioHandler);

步骤九：异步读取客户端请求消息到缓冲区，示例代码如下：

int  readNumber =  channel.read(receivedBuffer);

步骤十：对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排，示例代码如下：

Object message = null;
while(buffer.hasRemain()) {
   byteBuffer.mark();
   Object message = decode(byteBuffer);

   if (message == null) {
      byteBuffer.reset();
      break;
   }

   messageList.add(message );
}

if (!byteBuffer.hasRemain()) {
    byteBuffer.clear();
} else {
    byteBuffer.compact();
}

if (messageList != null & !messageList.isEmpty()) {
    for (Object messageE : messageList) {
       handlerTask(messageE);
    }
}

步骤十一：将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端，示例代码如下：

socketChannel.write(buffer);

注意：如果发送区TCP缓冲区满，会导致写半包，此时，需要注册监听写操作位，循环写，直到整包消息写入TCP缓冲区，此处不赘述，后续Netty源码分析章节会详细分析Netty的处理策略。
当我们了解创建NIO服务端的基本步骤之后，下面我们将前面的时间服务器程序通过NIO重写一遍，让大家能够学习到完整版的NIO服务端创建。

客户端步骤：

步骤一：打开SocketChannel，绑定客户端本地地址（可选，默认系统会随机分配一个可用的本地地址），示例代码如下：

SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

步骤二：设置SocketChannel为非阻塞模式，同时设置客户端连接的TCP参数，示例代码如下：

clientChannel.configureBlocking(false);
    socket.setReuseAddress(true);
    socket.setReceiveBufferSize(BUFFER_SIZE);
    socket.setSendBufferSize(BUFFER_SIZE);

步骤三：异步连接服务端，示例代码如下：

boolean connected = clientChannel.connect(new InetSocketAddress(“ip”,port));

步骤四：判断是否连接成功，如果连接成功，则直接注册读状态位到多路复用器中，如果当前没有连接成功（异步连接，返回false，说明客户端已经发送sync包，服务端没有返回ack包，物理链路还没有建立），示例代码如下：

if (connected) {
    clientChannel.register( selector, SelectionKey.OP_READ, ioHandler);
} else {
    clientChannel.register( selector, SelectionKey.OP_CONNECT, ioHandler);
}

步骤五：向Reactor线程的多路复用器注册OP_CONNECT状态位，监听服务端的TCP ACK应答，示例代码如下：

clientChannel.register( selector, SelectionKey.OP_CONNECT, ioHandler);

步骤六：创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程，代码如下：

Selector selector = Selector.open();
New Thread(new ReactorTask()).start();

步骤七：多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的Key，代码如下：

int num = selector.select();
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
if (key.isConnectable())
  //handlerConnect();
}

步骤九：判断连接结果，如果连接成功，注册读事件到多路复用器，示例代码如下：

if (channel.finishConnect()) {
    registerRead();
}

步骤十：注册读事件到多路复用器：

clientChannel.register( selector, SelectionKey.OP_READ, ioHandler);

步骤十一：异步读客户端请求消息到缓冲区，示例代码如下：

int  readNumber =  channel.read(receivedBuffer);

步骤十二：对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息接收缓冲区Reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排，示例代码如下：

Object message = null;
while(buffer.hasRemain()) {
    byteBuffer.mark();
    Object message = decode(byteBuffer);
    if (message == null) {
        byteBuffer.reset();
        break;
    }
    messageList.add(message );
}

if (!byteBuffer.hasRemain()) {
    byteBuffer.clear();
} else {
    byteBuffer.compact();
}

if (messageList != null & !messageList.isEmpty()) {
    for(Object messageE : messageList)
        handlerTask(messageE);
    }  
}

步骤十三：将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端，示例代码如下：

完整代码：

package nio.demo1;

import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
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;

/**
 * 服务端
 */
public class NioServer {
    /**
     * main方法
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new Thread(new ReactorTask()).start();
    }

    /**
     * Reactor任务
     */
    public static class ReactorTask implements Runnable {
        private Selector selector;

        public ReactorTask() {
            try {
                // 第一步：打开 ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道
                ServerSocketChannel acceptorSvr = ServerSocketChannel.open();

                // 第二步：绑定间监听端口，设置连接为 非阻塞模式
                acceptorSvr.socket().bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getByName("localhost"), 1234));
                acceptorSvr.configureBlocking(false);

                // 第三步：创建 Reactor 线程，创建多路复用器并启动线程
                selector = Selector.open();

                // 第四步：将 ServerSocketChannel 注册到 Reactor线程的多路复用器 Selector 上，监听 Accept 事件
                SelectionKey key = acceptorSvr.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            } catch (ClosedChannelException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            // 第五步：在 run() 方法中，无限循环 体内轮询准备就绪的key
            while (true) {
                try {
                    selector.select(1000);
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();

                    SelectionKey key = null;
                    while (it.hasNext()) {
                        key = it.next();
                        it.remove();
                        try {
                            if (key.isValid()) {
                                // 处理 新接入 的请求消息
                                if (key.isAcceptable()) {
                                    // 第六步：多路复用器监听到有新的客户端接入，(1) 处理新的接入请求 (2) 完成TCP三次握手 (3) 建立物理链路
                                    ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                                    SocketChannel sc = ssc.accept();

                                    // 第七步：设置客户端链路为 非阻塞模式
                                    sc.configureBlocking(false);
                                    sc.socket().setReuseAddress(true);

                                    // 第八步：将新接入的 客户端 连接注册到 Reactor 线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络信息
                                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                                }

                                // 处理 可读的 请求消息
                                if (key.isReadable()) {
                                    // 第九步：异步读取客户端请求消息到缓冲区
                                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                                    ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                    int readBytes = sc.read(readBuffer);

                                    // 第十步：对 ByteBuffer 进行解码，如果有半包消息，指针 reset，继续读取后续的报文
                                    if (readBytes > 0) {
                                        // 读取 ByteBuffer 数据到 byte[] 数组
                                        readBuffer.flip();
                                        byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                                        readBuffer.get(bytes);

                                        // 转成 字符串
                                        String body = new String(bytes, Charset.forName("UTF-8"));
                                        System.out.println("The time server receive order : " + body);
                                        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body)
                                                ? new java.util.Date(System.currentTimeMillis()).toString()
                                                : "BAD ORDER";

                                        // 写应答
                                        byte[] bytes2 = currentTime.getBytes();
                                        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes2.length);
                                        writeBuffer.put(bytes2);
                                        writeBuffer.flip();
                                        sc.write(writeBuffer);
                                    } else if (readBytes < 0) {
                                        // 对端链路关闭
                                        key.cancel();
                                        sc.close();
                                    } else {
                                        // 读到 0 字节，忽略  
                                    }
                                }
                            }
                        } catch (Exception e) {
                            if (key != null) {
                                key.cancel();
                                if (key.channel() != null) {
                                    key.channel().close();
                                }
                            }
                        }
                    }

                } catch (Throwable t) {
                    t.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

客户端：

package nio.demo1;

/**
 * 时间客户端
 */
public class TimeClient {
    /**
     * 主方法
     */
    public static void main(String[] args) {
        int port = 1234;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                // 采取默认值
            }
        }

        new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port)).start();
    }
}

package nio.demo1;

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.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * 时间客户端处理器
 */
public class TimeClientHandle implements Runnable {
    private String host;        // 主机
    private int port;           // 端口

    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;

    private volatile boolean stop;

    /**
     * 初始化
     */
    public TimeClientHandle(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;

        try {
            // 第一步：打开 ServerSocket，用于创建客户端连接
            socketChannel = SocketChannel.open();

            // 第二步：设置 SocketChannel 为非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);

            // 第三步：创建多路复用器（在 Reactor 线程中）
            selector = Selector.open();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 第四步：socketChannel 发起连接
            if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
                // 第五步：如果直接连接成功，则注册到多路复用器上
                socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                // 第六步：发送请求消息，读应答
                byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
                ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
                writeBuffer.put(req);
                writeBuffer.flip();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                if (!writeBuffer.hasRemaining()) {
                    System.out.println("Send order 2 server succeed.");
                }
            } else {
                socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        
        while(!stop) {
            try {
                // 第七步：多路复用器在 run 的无限循环体内轮询 准备就绪的key
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    
                    try {
                        if (key.isValid()) {
                            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                            
                            // 第八步：将连接成功的 Channel 注册到多路复用器上
                            // 判断是否连接成功
                            if (key.isConnectable()) {
                                if (sc.finishConnect()) {
                                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                                    
                                    // 发送请求消息，读应答
                                    byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
                                    ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
                                    writeBuffer.put(req);
                                    writeBuffer.flip();
                                    sc.write(writeBuffer);
                                    
                                    if (!writeBuffer.hasRemaining()) {
                                        System.out.println("Send order 2 server succeed.");
                                    } else {
                                        System.exit(1);
                                    }
                                }
                            }
                            
                            // 监听读操作，读取服务端写回的网络消息
                            if (key.isReadable()) {
                                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                                
                                if (readBytes > 0) {
                                    readBuffer.flip();
                                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                                    readBuffer.get(bytes);
                                    String body = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
                                    System.out.println("Now is : " + body);
                                    this.stop = true;
                                } else if (readBytes < 0) {
                                    // 对端链路关闭
                                    key.cancel();
                                    sc.close();
                                } else {
                                    // 读到 0 字节，忽略
                                }
                            }
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        if (key != null) {
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null) {
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
                
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
        
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的 Channel 和 Pipe 等资源都会被自动去注册关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null) {
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

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