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《I/O模型之四：Java 浅析I/O模型》
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：
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：
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 com.dxz.springsession.nio.demo6; import java.io.IOException; import java.net.InetAddress; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.UnknownHostException; 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; import java.util.Set; public class NIOServer { public static void main(String[] args) throws IOException { new Thread(new ReactorTask()).start(); } 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：病毒监听端口，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 (UnknownHostException 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> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.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，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，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消息 sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } if (key.isReadable()) { // 第九步：异步读取客户端请求消息到缓存区 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); int readBytes = sc.read(readBuffer); // 第十步：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 if (readBytes > 0) { readBuffer.flip(); byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()]; readBuffer.get(bytes); String body = new String(bytes, "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 com.dxz.springsession.nio.demo6; 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.util.Iterator; import java.util.Set; public class TimeClientHandle implements Runnable { private String host; private int port; private Selector selector; private SocketChannel socketChannel; private volatile boolean stop; public TimeClientHandle(String host, int port) { this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host; this.port = port; try { //第一步：打开SocketChannel,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> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator(); SelectionKey key = null; while (it.hasNext()) { key = it.next(); it.remove(); try { if (key.isValid()) { //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 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); 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);// 连接失败，进程退出 } //监听读操作，读取服务端写回的网络信息 if (key.isReadable()) { //第九步：读取信息到缓冲区 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, "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 (Exception e) { if (key != null) { key.cancel(); if (key.channel() != null) key.channel().close(); } } } } catch (Exception 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并关闭，所以不需要重复释放资源 if (selector != null) try { selector.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } package com.dxz.springsession.nio.demo6; public class TimeClient { /** * @param args */ public static void main(String[] args) { int port = 1234; if (args != null && args.length > 0) { try { port = Integer.valueOf(args[0]); } catch (NumberFormatException e) { // 采用默认值 } } new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001") .start(); } }
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