java nio_Java NIO详解

前言

本篇主要讲解Java中的IO机制和网络通讯中处理高并发的NIO

分为两块：

第一块讲解多线程下的IO机制

第二块讲解如何在IO机制下优化CPU资源的浪费(New IO)

Echo服务器

单线程下的socket机制就不用我介绍了，不懂得可以去查阅下资料

那么多线程下，如果进行套接字的使用呢？

我们使用最简单的echo服务器来帮助大家理解

首先，来看下多线程下服务端和客户端的工作流程图：

可以看到，多个客户端同时向服务端发送请求

服务端做出的措施是开启多个线程来匹配相对应的客户端

并且每个线程去独自完成他们的客户端请求

原理讲完了我们来看下是如何实现的

在这里我写了一个简单的服务器

用到了线程池的技术来创建线程(具体代码作用我已经加了注释)：

public class MyServer {

private static ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); //创建一个线程池

private static class HandleMsg implements Runnable{ //一旦有新的客户端请求，创建这个线程进行处理

Socket client; //创建一个客户端

public HandleMsg(Socket client){ //构造传参绑定

this.client = client;

}

@Override

public void run() {

BufferedReader bufferedReader = null; //创建字符缓存输入流

PrintWriter printWriter = null; //创建字符写入流

try {

bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream())); //获取客户端的输入流

printWriter = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true); //获取客户端的输出流，true是随时刷新

String inputLine = null;

long a = System.currentTimeMillis();

while ((inputLine = bufferedReader.readLine())!=null){

printWriter.println(inputLine);

}

long b = System.currentTimeMillis();

System.out.println("此线程花费了："+(b-a)+"秒！");

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

try {

bufferedReader.close();

printWriter.close();

client.close();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

}

public static void main(String[] args) throws IOException { //服务端的主线程是用来循环监听客户端请求

ServerSocket server = new ServerSocket(8686); //创建一个服务端且端口为8686

Socket client = null;

while (true){ //循环监听

client = server.accept(); //服务端监听到一个客户端请求

System.out.println(client.getRemoteSocketAddress()+"地址的客户端连接成功!");

executorService.submit(new HandleMsg(client)); //将该客户端请求通过线程池放入HandlMsg线程中进行处理

}

}

}

上述代码中我们使用一个类编写了一个简单的echo服务器

在主线程中用死循环来开启端口监听

简单客户端

有了服务器，我们就可以对其进行访问，并且发送一些字符串数据

服务器的功能是返回这些字符串，并且打印出线程占用时间

下面来写个简单的客户端来响应服务端：

public class MyClient {

public static void main(String[] args) throws IOException {

Socket client = null;

PrintWriter printWriter = null;

BufferedReader bufferedReader = null;

try {

client = new Socket();

client.connect(new InetSocketAddress("localhost",8686));

printWriter = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true);

printWriter.println("hello");

printWriter.flush();

bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream())); //读取服务器返回的信息并进行输出

System.out.println("来自服务器的信息是："+bufferedReader.readLine());

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

printWriter.close();

bufferedReader.close();

client.close();

}

}

}

代码中，我们用字符流发送了一个hello字符串过去，如果代码没问题

服务器会返回一个hello数据，并且打印出我们设置的日志信息

echo服务器结果展示

我们来运行：

1.打开server，开启循环监听：

2.打开一个客户端：

可以看到客户端打印出了返回结果

3.查看服务端日志：

很好，一个简单的多线程套接字编程就实现了

但是试想一下：

如果一个客户端请求中，在IO写入到服务端过程中加入Sleep，

使每个请求占用服务端线程10秒

然后有大量的客户端请求，每个请求都占用那么长时间

那么服务端的并能能力就会大幅度下降

这并不是因为服务端有多少繁重的任务，而仅仅是因为服务线程在等待IO(因为accept，read，write都是阻塞式的)

让高速运行的CPU去等待及其低效的网络IO是非常不合算的行为

这时候该怎么办？

NIO

New IO成功的解决了上述问题，它是怎样解决的呢？

IO处理客户端请求的最小单位是线程

而NIO使用了比线程还小一级的单位：通道(Channel)

可以说，NIO中只需要一个线程就能完成所有接收，读，写等操作

要学习NIO，首先要理解它的三大核心

Selector，选择器

Buffer，缓冲区

Channel，通道

博主不才，画了张丑图给大家加深下印象 ^ . ^

再给一张TCP下的NIO工作流程图(好难画的线条...)

大家大致看懂就行，我们一步步来

Buffer

首先要知道什么是Buffer

在NIO中数据交互不再像IO机制那样使用流

而是使用Buffer(缓冲区)

博主觉得图才是最容易理解的

所以...

可以看出Buffer在整个工作流程中的位置

buffer实际上是一个容器，一个连续数组，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：

1.capacity：容量，缓冲区能容纳元素的数量

2.position：当前位置，是缓冲区中下一次发生读取和写入操作的索引，当前位置通过大多数读写操作向前推进

3.limit：界限，是缓冲区中最后一个有效位置之后下一个位置的索引

如图：

几个常用方法：

.flip() //将limit设置为position，然后position重置为0，返回对缓冲区的引用

.clear() //清空调用缓冲区并返回对缓冲区的引用

来点实际点的，上面图中的具体代码如下：

1.首先给Buffer分配空间，以字节为单位

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

创建一个ByteBuffer对象并且指定内存大小

2.向Buffer中写入数据：

1).数据从Channel到Buffer：channel.read(byteBuffer);

2).数据从Client到Buffer：byteBuffer.put(...);

3.从Buffer中读取数据：

1).数据从Buffer到Channel：channel.write(byteBuffer);

2).数据从Buffer到Server：byteBuffer.get(...);

Selector

选择器是NIO的核心，它是channel的管理者

通过执行select()阻塞方法，监听是否有channel准备好

一旦有数据可读，此方法的返回值是SelectionKey的数量

所以服务端通常会死循环执行select()方法，直到有channl准备就绪，然后开始工作

每个channel都会和Selector绑定一个事件，然后生成一个SelectionKey的对象

需要注意的是：

channel和Selector绑定时，channel必须是非阻塞模式

而FileChannel不能切换到非阻塞模式，因为它不是套接字通道，所以FileChannel不能和Selector绑定事件

在NIO中一共有四种事件：

1.SelectionKey.OP_CONNECT：连接事件

2.SelectionKey.OP_ACCEPT：接收事件

3.SelectionKey.OP_READ：读事件

4.SelectionKey.OP_WRITE：写事件

Channel

共有四种通道：

FileChannel：作用于IO文件流

DatagramChannel：作用于UDP协议

SocketChannel：作用于TCP协议

ServerSocketChannel：作用于TCP协议

本篇文章通过常用的TCP协议来讲解NIO

我们以ServerSocketChannel为例：

打开一个ServerSocketChannel通道

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

关闭ServerSocketChannel通道：

serverSocketChannel.close();

循环监听SocketChannel：

while(true){

SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

clientChannel.configureBlocking(false);

}

clientChannel.configureBlocking(false);语句是将此通道设置为非阻塞，也就是异步

自由控制阻塞或非阻塞便是NIO的特性之一

SelectionKey

SelectionKey是通道和选择器交互的核心组件

比如在SocketChannel上绑定一个Selector，并注册为连接事件：

SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

clientChannel.configureBlocking(false);

clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port));

clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

核心在register()方法，它返回一个SelectionKey对象

来检测channel事件是那种事件可以使用以下方法：

selectionKey.isAcceptable();

selectionKey.isConnectable();

selectionKey.isReadable();

selectionKey.isWritable();

服务端便是通过这些方法 在轮询中执行相对应操作

当然通过Channel与Selector绑定的key也可以反过来拿到他们

Channel channel = selectionKey.channel();

Selector selector = selectionKey.selector();

在Channel上注册事件时，我们也可以顺带绑定一个Buffer：

clientChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(1024));

或者绑定一个Object：

selectionKey.attach(Object);

Object anthorObj = selectionKey.attachment();

NIO的TCP服务端

讲了这么多，都是理论

我们来看下最简单也是最核心的代码(加那么多注释很不优雅，但方便大家看懂)：

package cn.blog.test.NioTest;

import java.io.IOException;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.*;

import java.nio.charset.Charset;

import java.util.Iterator;

import java.util.Set;

public class MyNioServer {

private Selector selector; //创建一个选择器

private final static int port = 8686;

private final static int BUF_SIZE = 10240;

private void initServer() throws IOException {

//创建通道管理器对象selector

this.selector=Selector.open();

//创建一个通道对象channel

ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();

channel.configureBlocking(false); //将通道设置为非阻塞

channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); //将通道绑定在8686端口

//将上述的通道管理器和通道绑定，并为该通道注册OP_ACCEPT事件

//注册事件后，当该事件到达时，selector.select()会返回(一个key)，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞

SelectionKey selectionKey = channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true){ //轮询

selector.select(); //这是一个阻塞方法，一直等待直到有数据可读，返回值是key的数量(可以有多个)

Set keys = selector.selectedKeys(); //如果channel有数据了，将生成的key访入keys集合中

Iterator iterator = keys.iterator(); //得到这个keys集合的迭代器

while (iterator.hasNext()){ //使用迭代器遍历集合

SelectionKey key = (SelectionKey) iterator.next(); //得到集合中的一个key实例

iterator.remove(); //拿到当前key实例之后记得在迭代器中将这个元素删除，非常重要，否则会出错

if (key.isAcceptable()){ //判断当前key所代表的channel是否在Acceptable状态，如果是就进行接收

doAccept(key);

}else if (key.isReadable()){

doRead(key);

}else if (key.isWritable() && key.isValid()){

doWrite(key);

}else if (key.isConnectable()){

System.out.println("连接成功！");

}

}

}

}

public void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {

ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();

System.out.println("ServerSocketChannel正在循环监听");

SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();

clientChannel.configureBlocking(false);

clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);

}

public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

long bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);

while (bytesRead>0){

byteBuffer.flip();

byte[] data = byteBuffer.array();

String info = new String(data).trim();

System.out.println("从客户端发送过来的消息是："+info);

byteBuffer.clear();

bytesRead = clientChannel.read(byteBuffer);

}

if (bytesRead==-1){

clientChannel.close();

}

}

public void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

byteBuffer.flip();

SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();

while (byteBuffer.hasRemaining()){

clientChannel.write(byteBuffer);

}

byteBuffer.compact();

}

public static void main(String[] args) throws IOException {

MyNioServer myNioServer = new MyNioServer();

myNioServer.initServer();

}

}

我打印了监听channel，告诉大家ServerSocketChannel是在什么时候开始运行的

如果配合NIO客户端的debug，就能很清楚的发现，进入select()轮询前

虽然已经有了ACCEPT事件的KEY，但select()默认并不会去调用

而是要等待有其它感兴趣事件被select()捕获之后，才会去调用ACCEPT的SelectionKey

这时候ServerSocketChannel才开始进行循环监听

也就是说一个Selector中，始终保持着ServerSocketChannel的运行

而serverChannel.accept();真正做到了异步(在initServer方法中的channel.configureBlocking(false);)

如果没有接受到connect，会返回一个null

如果成功连接了一个SocketChannel，则此SocketChannel会注册写入(READ)事件

并且设置为异步

NIO的TCP客户端

有服务端必定有客户端

其实如果能完全理解了服务端

客户端的代码大同小异

package cn.blog.test.NioTest;

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;

public class MyNioClient {

private Selector selector; //创建一个选择器

private final static int port = 8686;

private final static int BUF_SIZE = 10240;

private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

private void initClient() throws IOException {

this.selector = Selector.open();

SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

clientChannel.configureBlocking(false);

clientChannel.connect(new InetSocketAddress(port));

clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

while (true){

selector.select();

Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();

while (iterator.hasNext()){

SelectionKey key = iterator.next();

iterator.remove();

if (key.isConnectable()){

doConnect(key);

}else if (key.isReadable()){

doRead(key);

}

}

}

}

public void doConnect(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();

if (clientChannel.isConnectionPending()){

clientChannel.finishConnect();

}

clientChannel.configureBlocking(false);

String info = "服务端你好!!";

byteBuffer.clear();

byteBuffer.put(info.getBytes("UTF-8"));

byteBuffer.flip();

clientChannel.write(byteBuffer);

//clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);

clientChannel.close();

}

public void doRead(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();

clientChannel.read(byteBuffer);

byte[] data = byteBuffer.array();

String msg = new String(data).trim();

System.out.println("服务端发送消息："+msg);

clientChannel.close();

key.selector().close();

}

public static void main(String[] args) throws IOException {

MyNioClient myNioClient = new MyNioClient();

myNioClient.initClient();

}

}

输出结果

这里我打开一个服务端，两个客户端：

接下来，你可以试下同时打开一千个客户端，只要你的CPU够给力，服务端就不可能因为阻塞而降低性能

以上便是Java NIO的基础详解

谢谢阅读和关注～