【JAVA基础】- 同步非阻塞模式NIO详解

【JAVA基础】- 同步非阻塞模式NIO详解

一、概述

NIO（Non-Blocking IO）是同步非阻塞方式来处理IO数据。服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的链接请求都会注册到选择器上，选择器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理。

二、常用概念

• 同步(synchronous)：调用方式指应用（Application）,调用方发起有一个功能调用时，在没有得到功能的结果之前，该调用不会返回。也就是说调用方会一直等待被调用方返回功能的结果。
• 异步(asynchronous)：调用方发起一个功能调用时，没有得到功能的结果立即返回，后续被调用方再通过回调等手段，把功能的结构通知调用方。也就是调用方立即得到返回，但是返回中不包含执行的结果。

同步和异步强调的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)。所谓同步，就是在发出一个"调用"时，在没有得到结果之前，该“调用”就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由“调用者”主动等待这个“调用”的结果。而异步则是相反，"调用"在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在"调用"发出后，"被调用者"通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用

• 阻塞：线程发起一个调用时, 在调用返回之前, 线程会被阻塞, 在这个状态下会交出当前CPU的使用权而暂停；也就是调用方会等待调用结果, 调用阻塞了调用方的线程, 线程不在运行处理中。
• 非阻塞：线程发起一个调用时, 调用会立即返回, 避免线程被阻塞。但是, 返回的结果只是被调用方当前状态的值, 实际使用时, 调用方需要轮询, 直到返回结果符合预期(直到数据准备好)。

阻塞和非阻塞 强调的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态. 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。 对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的状态，只是从逻辑上当前函数没有返回而已，即同步等待时什么都不干，白白占用着资源。

• 同步阻塞 IO[BIO - BlockingIO]：在此种方式下，用户进程在发起一个 IO 操作以后，必须等待 IO 操作的完成，只有当真正完成了 IO 操作以后，用户进程才能运行。 JAVA传统的 IO 模型属于此种方式。
• 同步非阻塞 IO[Non-Blocking IO]：在此种方式下，用户进程发起一个 IO 操作以后 边可 返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问 IO 操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的 CPU 资源浪费。其中目前 JAVA 的 NIO 就属于同步非阻塞 IO 。
• 异步阻塞 IO[IO Multiplexing]：此种方式下是指应用发起一个 IO 操作以后，不等待内核 IO 操作的完成，等内核完成 IO 操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问 IO 是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过 select 系统调用来完成的，而 select 函数本身的实现方式是阻塞的，而采用 select 函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！
• 异步非阻塞 IO[Asynchronous IO]: 在此种模式下，用户进程只需要发起一个 IO 操作然后立即返回，等 IO 操作真正的完成以后，应用程序会得到 IO 操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的 IO 读写操作，因为 真正的 IO读取或者写入操作已经由 内核完成了。目前 Java 中还没有支持此种 IO 模型。

三、NIO的实现原理

Java的NIO主要由三个核心部分组成：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector。

所有的IO在NIO中都从一个Channel开始，数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer写到Channel中。Channel有好几种类型，其中比较常用的有FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel等，这些通道涵盖了UDP和TCP网络IO以及文件IO。

Buffer本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。Java NIO里关键的Buffer实现有CharBuffer、ByteBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型，即byte、short、int、long、float、double、char。

Buffer对象包含三个重要的属性，分别是capacity、position、limit，其中position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。但不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

capacity：作为一个内存块，Buffer有个固定的最大值，就是capacity。Buffer只能写capacity个数据，一旦Buffer满了，需要将其清空才能继续写数据往里写数据。

position：当写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0。当一个数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity–1。当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit：在写模式下，Buffer的limit表示最多能往Buffer里写多少数据，此时limit等于capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据，此时limit会被设置成写模式下的position值。

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。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，事件例如有新连接进来，数据接收等。

四、NIO代码实现

客户端实现

• 步骤

  1. 创建SocketChannel 通道
  2. 切换异步非阻塞模式configureBlocking(false)
  3. 设置缓冲区大小ByteBuffer.allocate(1024)
  4. 值写入缓冲区 buffer.put(input.getBytes())
  5. 缓冲区中的值写入通道中channel.write()

• 代码演示

  public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建通道
        SocketChannel channel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",6001));
        //切换异步非阻塞模式
        channel.configureBlocking(false);
        //设置缓冲去大小
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
        System.out.println("输入传输值：");
        //获取键盘输入的值
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNext()){
            String input=scanner.next();
            //把获取的值写入缓冲区中
            buffer.put(input.getBytes());
            buffer.flip();
            //把缓冲区中的值写入通道中
            channel.write(buffer);
            buffer.clear();
         }
         channel.close();
   }
  

服务端实现

• 步骤

  1. 创建ServerSocketChannel通道
  2. 切换异步非阻塞模式configureBlocking(false)
  3. 绑定连接
  4. 获取选择器 Selector open = Selector.open()
  5. 将通道注册到选择器，并指定监听接受事件
  6. 轮训式获取选择已准备就绪的事件
  7. 获取当前选择器所有注册的监听事件
  8. 获取准备就绪的事件
  9. 判断是什么事件准备就绪
  10. 接受就绪，获取客户端连接
  11. 设置非阻塞异步模式
  12. 将通道注册到服务器上

• 代码演示

  public static void main(String[] args) throws IOException {
      //创建通道
      ServerSocketChannel channel=ServerSocketChannel.open();
      //切换到异步非阻塞模式
      channel.configureBlocking(false);
      //绑定链接
      channel.bind(new InetSocketAddress(6001));
          //获取选择器
          Selector open = Selector.open();
          //将通道注册到选择器,并指定监听接受事件
          channel.register(open, SelectionKey.OP_ACCEPT);
          //轮训式获取选择已经准备就绪的事件
          while(open.select() > 0) {
              //获取当前选择器所有注册的监听事件
              Iterator<SelectionKey> it = open.selectedKeys().iterator();
              while(it.hasNext()) {
                  //获取准备就绪的事件
                  SelectionKey sk = it.next();
                  //判断是什么事件准备就绪
                  if(sk.isAcceptable()) {
                      //接受就绪，获取客户端连接
                      SocketChannel sc = channel.accept();
                      //设置非阻塞异步模式
                      sc.configureBlocking(false);
                      //将通道注册到服务器上
                      sc.register(open, SelectionKey.OP_READ);
                  } else if(sk.isReadable()) {
                      //获取当前选择器就绪的通道
                      SocketChannel s =  (SocketChannel) sk.channel();
                      ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(1024);
                      int len = 0;
                      while((len = s.read(bb)) > 0) {
                          bb.flip();
                          System.out.println(new String(bb.array(),0,len));
                          bb.clear();
                      }
                 }
            }
           it.remove();
       }
  
  }
  

五、同步非阻塞NIO总结

同步非阻塞的特点：应用程序的线程需要不断的进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。

同步非阻塞IO的特点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会被阻塞，实时性较好。

同步非阻塞IO的缺点： 不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。

总体来说，在高并发应用场景下，同步非阻塞IO也是不可用的。一般Web服务器不适用这种IO模型。这种IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。