JAVA 非阻塞IO原理

1.  基本概念

IO是主存和外部设备(硬盘、终端和网络等)传输数据的过程。IO是操作系统的底层功能实现，底层通过I/O指令进行完成。

2.  nio简介

nio是java New IO的简称（并不只是指非阻塞IO），在jdk1.4里提供的新api。Sun官方标榜的特性如下：
–   为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持。
–   字符集编码解码解决方案。
–   Channel：一个新的原始I/O抽象。
–   支持锁和内存映射文件的文件访问接口。
–   提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸缩性网络I/O。

详细介绍可见 http://www.iteye.com/topic/834447

3.   非阻塞 IO

何为阻塞、何为非阻塞，非阻塞原理。

何为阻塞？

一个常见的网络IO通讯流程如下:

何为非阻塞？
下面有个隐喻：
一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？
1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 )
2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )
很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

socket的操作都有一个共同的结构：
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply
经典的网络服务的设计如下图，在每个线程中完成对数据的处理：

但这种模式在用户负载增加时，性能将下降非常的快。我们需要重新寻找一个新的方案，保持数据处理的流畅，很显然，事件触发机制是最好的解决办法，当有事件发生时，会触动handler,然后开始数据的处理。

Reactor模式类似于AWT中的Event处理：

Reactor模式参与者
1.Reactor 负责响应IO事件，一旦发生，广播发送给相应的Handler去处理,这类似于AWT的thread
2.Handler 是负责非堵塞行为，类似于AWT ActionListeners；同时负责将handlers与event事件绑定，类似于AWT addActionListener

  非阻塞的原理
把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。
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。减少无谓的进程切换。
Reactor就是上面隐喻的售票员角色。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
如图：

Java的NIO为reactor模式提供了实现的基础机制，它的Selector当发现某个channel有数据时，会通过SlectorKey来告知我们，在此我们实现事件和handler的绑定。
我们来看看Reactor模式代码:

public class Reactor implements Runnable{

　　final Selector selector;
　　final ServerSocketChannel serverSocket;

　　Reactor(int port) throws IOException {
　　　　selector = Selector.open();
　　　　serverSocket = ServerSocketChannel.open();
　　　　InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);
　　　　serverSocket.socket().bind(address);

　　　　serverSocket.configureBlocking(false);
　　　　//向selector注册该channel
　　　　 SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　　　logger.debug("-->Start serverSocket.register!");

　　　　//利用sk的attache功能绑定Acceptor 如果有事情，触发Acceptor
　　　　sk.attach(new Acceptor());
　　　　logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");
　　}


　　public void run() { // normally in a new Thread
　　　　try {
　　　　while (!Thread.interrupted())
　　　　{
　　　　　　selector.select();
　　　　　　Set selected = selector.selectedKeys();
　　　　　　Iterator it = selected.iterator();
　　　　　　//Selector如果发现channel有OP_ACCEPT或READ事件发生，下列遍历就会进行。
　　　　　　while (it.hasNext())
　　　　　　　　//来一个事件 第一次触发一个accepter线程
　　　　　　　　//以后触发SocketReadHandler
　　　　　　　　dispatch((SelectionKey)(it.next()));
　　　　　　　　selected.clear();
　　　　　　}
　　　　}catch (IOException ex) {
　　　　　　　　logger.debug("reactor stop!"+ex);
　　　　}
　　}

　　//运行Acceptor或SocketReadHandler
　　void dispatch(SelectionKey k) {
　　　　Runnable r = (Runnable)(k.attachment());
　　　　if (r != null){
　　　　　　// r.run();

　　　　}
　　}

　　class Acceptor implements Runnable { // inner
　　　　public void run() {
　　　　try {
　　　　　　logger.debug("-->ready for accept!");
　　　　　　SocketChannel c = serverSocket.accept();
　　　　　　if (c != null)
　　　　　　　　//调用Handler来处理channel
　　　　　　　　new SocketReadHandler(selector, c);
　　　　　　}
　　　　catch(IOException ex) {
　　　　　　logger.debug("accept stop!"+ex);
　　　　}
　　　　}
　　}
}

以上代码中巧妙使用了SocketChannel的attach功能，将Hanlder和可能会发生事件的channel链接在一起，当发生事件时，可以立即触发相应链接的Handler。

将数据读出后，可以将这些数据处理线程做成一个线程池，这样，数据读出后，立即扔到线程池中，这样加速处理速度：

可参考：

http://www.jdon.com/concurrent/reactor.htm

http://javag.iteye.com/blog/221641