转-Java NIO原理分析

 

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Java IO

在Client/Server模型中,Server往往需要同时处理大量来自Client的访问请求,因此Server端需采用支持高并发访问的架构。一种简单而又直接的解决方案是“one-thread-per-connection”。这是一种基于阻塞式I/O的多线程模型。在该模型中,Server为每个Client连接创建一个处理线程,每个处理线程阻塞式等待可能达到的数据,一旦数据到达,则立即处理请求、返回处理结果并再次进入等待状态。由于每个Client连接有一个单独的处理线程为其服务,因此可保证良好的响应时间。但当系统负载增大(并发请求增多)时,Server端需要的线程数会增加,这将成为系统扩展的瓶颈所在。(Java IO与NIO的区别)
旧I/O模型,多个线程阻塞等待客户端请求


Java NIO

Java NIO不但引入了全新的高效的I/O机制,同时引入了基于Reactor设计模式的多路复用异步模式。NIO包中主要包含以下几种抽象数据类型。
* Channel(通道):NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel。它模拟了通信连接,类似于原I/O中的流(Stream),用户可以通过它读取和写入数据。目前已知的实例类有SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel、FileChannel等。
* Buffer(缓冲区):Buffer是一块连续的内存区域,一般作为Channel收发数据的载体出现。所有数据都通过Buffer对象来处理。
* Selector(选择器):Selector类提供了监控一个和多个通道当前状态的机制。只要Channel向Selector注册了某种特定的事件,Selector就会监听这些事件是否会发生,一旦发生某个事件,便会通知对应的Channel。使用选择器,借助单一线程,就可对数量庞大的活动I/O通道实施监控和维护。
新I/O模型,单个线程阻塞等待客户端请求

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?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Java NIO的通信模型示意图:
Java NIO的通信模型

从下图中可以看出,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。 使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序,大体上可以分为下面三个步骤:
1. 向Selector对象注册感兴趣的事件
2. 从Selector中获取感兴趣的事件
3. 根据不同的事件进行相应的处理
Selector


参考

Java NIO原理图文分析及代码实现
Java NIO系列教程(十二)Java NIO与IO