IO通信模型(二)同步非阻塞模式NIO(NonBlocking IO)

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同步非阻塞模式(NonBlocking IO)

在非阻塞模式中,发出Socket的accept()read()操作时,如果内核中的数据还没有准备好,那么它并不会阻塞用户进程,而是立刻返回一个信息。也就是说进程发起一个read操作后,并不需要一直阻塞等待,而是马上就得到了一个结果。

如果结果发现数据准备完毕就可以读取数据,然后拷贝到用户内存。如果结果发现数据没有就绪也会返回,进程继续不断的主动询问数据的准备情况是非阻塞模式的一个特点。

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多路复用IO

伪代码表示如下:

{
    while(read(socket, buffer) != SUCCESS){    
    }
    process(buffer);
}

Java同步非阻塞模式

如上所述,Java的Socket是阻塞模式的典型应用。在发起accpet()read()请求之后会持续阻塞,但是Java中提供了setSoTimeout()方法设置超时时间,在固定时间内没有得到结果,就会结束本次阻塞,等待进行下一次的阻塞轮训。这是,也就实现了应用层面的非阻塞。

Java中Socket中的setSoTimeout()方法:

public synchronized void setSoTimeout(int timeout) throws SocketException {
    if (isClosed())
        throw new SocketException("Socket is closed");
    if (timeout < 0)
        throw new IllegalArgumentException("timeout can't be negative");
    getImpl().setOption(SocketOptions.SO_TIMEOUT, new Integer(timeout));
}

Java同步非阻塞模式编码

通过设置setSoTimeout()使阻塞模式的服务端accpet()read()优化为非阻塞模式。
SocketServerNioListenAndRead.java


import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.net.SocketTimeoutException;

/**
 * 

* 非阻塞IO - 监听非阻塞 - 读取非阻塞 * * @Author niujinpeng * @Date 2018/10/15 14:53 */ public class SocketServerNioListenAndRead { /** * 日志 */ private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SocketServerNioListenAndRead.class); private static Object xWait = new Object(); public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket serverSocket = null; try { serverSocket = new ServerSocket(83); serverSocket.setSoTimeout(100); while (true) { Socket socket = null; try { socket = serverSocket.accept(); } catch (SocketTimeoutException e) { synchronized (SocketServerNioListenAndRead.xWait) { logger.info("没有从底层接收到任务数据报文,等待10ms,,模拟事件X的处理时间"); SocketServerNioListenAndRead.xWait.wait(10); } continue; } InputStream input = socket.getInputStream(); OutputStream output = socket.getOutputStream(); Integer sourcePort = socket.getPort(); int maxLen = 2048; byte[] contentBytes = new byte[maxLen]; int realLen; StringBuffer message = new StringBuffer(); // 接收消息非阻塞实现 socket.setSoTimeout(10); BIORead: while (true) { try { // 读取的时候,程序会阻塞,知道系统把网络传过来的数据准备完毕 while ((realLen = input.read(contentBytes, 0, maxLen)) != -1) { message.append(new String(contentBytes, 0, realLen)); /** * 如果收到over,表示传送完毕 */ if (message.toString().endsWith("over")) { break BIORead; } } } catch (SocketTimeoutException e) { //=========================================================== // 执行到这里,说明本次read没有接收到任何数据流 // 主线程在这里又可以做一些事情,记为Y //=========================================================== logger.info("这次没有从底层接收到任务数据报文,等待10毫秒,模拟事件Y的处理时间"); continue; } } // 输出信息 logger.info("服务器收到来自端口" + sourcePort + "的消息:" + message.toString()); // 响应 output.write("Done!".getBytes()); output.close(); input.close(); socket.close(); } } catch (SocketException | InterruptedException e) { logger.error(e.getMessage(), e); } finally { if (serverSocket != null) { serverSocket.close(); } } } }

上面的代码可以实现监听和读取数据的非阻塞,但是还是只能一个一个的处理,可以使用多线程稍微改进
SocketServerNioListenThread.java


import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;

/**
 * 

* 非阻塞IO - 监听非阻塞 - 读取非阻塞 * 通过加入线程的概念,让socket server能够在应用层面 * 通过非阻塞的方式同时处理多个socket套接字 *

* 此时可以实现非阻塞的IO,但是因为调用了系统底层的阻塞同步IO, * 因此仍然没有从根本上解决问题 * * @Author niujinpeng * @Date 2018/10/15 15:23 */ public class SocketServerNioListenThread { private static Object xWait = new Object(); private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(SocketServerNioListenThread.class); public static void main(String[] args) throws Exception { ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(83); serverSocket.setSoTimeout(100); try { while (true) { Socket socket = null; try { socket = serverSocket.accept(); } catch (SocketTimeoutException e1) { //=========================================================== // 执行到这里,说明本次accept没有接收到任何TCP连接 // 主线程在这里就可以做一些事情,记为X //=========================================================== synchronized (SocketServerNioListenThread.xWait) { LOGGER.info("这次没有从底层接收到任何TCP连接,等待10毫秒,模拟事件X的处理时间"); SocketServerNioListenThread.xWait.wait(10); } continue; } //当然业务处理过程可以交给一个线程(这里可以使用线程池),并且线程的创建是很耗资源的。 //最终改变不了.accept()只能一个一个接受socket连接的情况 SocketServerThread socketServerThread = new SocketServerThread(socket); new Thread(socketServerThread).start(); } } catch (Exception e) { LOGGER.error(e.getMessage(), e); } finally { if (serverSocket != null) { serverSocket.close(); } } } } /** * 当然,接收到客户端的socket后,业务的处理过程可以交给一个线程来做。 * 但还是改变不了socket被一个一个的做accept()的情况。 * * @author niujinpeng */ class SocketServerThread implements Runnable { /** * 日志 */ private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(SocketServerThread.class); private Socket socket; public SocketServerThread(Socket socket) { this.socket = socket; } @Override public void run() { InputStream in = null; OutputStream out = null; try { in = socket.getInputStream(); out = socket.getOutputStream(); Integer sourcePort = socket.getPort(); int maxLen = 2048; byte[] contextBytes = new byte[maxLen]; int realLen; StringBuffer message = new StringBuffer(); //下面我们收取信息(设置成非阻塞方式,这样read信息的时候,又可以做一些其他事情) this.socket.setSoTimeout(10); BIORead: while (true) { try { while ((realLen = in.read(contextBytes, 0, maxLen)) != -1) { message.append(new String(contextBytes, 0, realLen)); /* * 我们假设读取到“over”关键字, * 表示客户端的所有信息在经过若干次传送后,完成 * */ if (message.indexOf("over") != -1) { break BIORead; } } } catch (SocketTimeoutException e2) { //=========================================================== // 执行到这里,说明本次read没有接收到任何数据流 // 主线程在这里又可以做一些事情,记为Y //=========================================================== LOGGER.info("这次没有从底层接收到任务数据报文,等待10毫秒,模拟事件Y的处理时间"); continue; } } //下面打印信息 Long threadId = Thread.currentThread().getId(); LOGGER.info("服务器(线程:" + threadId + ")收到来自于端口:" + sourcePort + "的信息:" + message); //下面开始发送信息 out.write("回发响应信息!".getBytes()); //关闭 out.close(); in.close(); this.socket.close(); } catch (Exception e) { LOGGER.error(e.getMessage(), e); } } }

同步非阻塞模式总结

用户需要不断地调用,尝试读取数据,直到读取成功后,才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中,虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回,但是为了等到数据,仍需要不断地轮询、重复请求,消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型,而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

开发难度相对于阻塞IO模式较难,适合并发小且不需要及时响应的网络应用开发。

GitHub 源码:https://github.com/niumoo/java-toolbox/
此文参考文章:IO复用,AIO,BIO,NIO,同步,异步,阻塞和非阻塞
此文参考文章:6.2 I/O Models

<完>

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