Java NIO原理及分析

前言：  

    最近由于公司项目重构，需要用SOA分布式架构。在这里我采用的是比较轻量级的ZBUS总线来实现。而使用ZBUS总线最关键的就是底层socket通信问题。这里的通信问题就涉及到了java的NIO非阻塞机制，下面就参考一些别的资料，做一些简要的分析。

    首先来分析下阻塞IO与非阻塞IO的区别

 

  1、阻塞IO：阻塞io是指jdk1.4之前版本面向流的io，服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程相应，如果没有则会一直等待或者遭到拒 绝请求，如果有的话，客户端会线程会等待请求结束后才继续执行。

当并发量大，而后端服务或客户端处理数据慢时就会产生产生大量线程处于等待中，即上述的阻塞。

      

   非阻塞IO：无阻塞io是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程，当处于等待（没有事件）的时候线程资源可以释放出来处理别的请求，通过事件驱动模型当有accept/read/write等事件发生后通知（唤醒）主线程分配资源来处理相关事件。java.nio.channels.Selector就是在该模型中事件的观察者，可以将多个SocketChannel的事件注册到一个Selector上，当没有事件发生时Selector处于阻塞状态，当SocketChannel有accept/read/write等事件发生时唤醒Selector。

   

这个Selector是使用了单线程模型，主要用来描述事件驱动模型，要优化性能需要一个好的线程模型来使用，目前比较好的nio框架有Netty，apache的mina等。

   从上图可以分析出，阻塞IO的缺点有：

   1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间

   2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。
    而非阻塞IO就可以很好地解决这个问题，它的工作原理：

     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。 

 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)

下面是我理解的java NIO的通信模型示意图：

   

 1、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，下面以服务器端为例：

   1）.  首先需要进行初始化工作。该初始化工作主要目的是将selector（这时候的selector必须先要进行注册，这样才知道我们接下来要怎么处理数据）与channel进行绑定。只有selector管理通道与通道channel进行了绑定，在客户端发送消息，将selector绑定到channel通道的时候，服务器端才能通过该通道的端口，拿到并对服务器端数据进行操作。

public void initServer(int port) throws IOException {
        // 获得一个ServerSocket通道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
        // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
        //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }

   2）.通过selector的监听，采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理 。

@SuppressWarnings("unchecked")
    public void listen() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动成功！");
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                // 客户端请求连接事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
                            .channel();
                    // 获得和客户端连接的通道
                    SocketChannel channel = server.accept();
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给客户端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
                    //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                        read(key);
                }

            }

        }
    }
 /**
     * 处理读取客户端发来的信息 的事件
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        buffer.clear();
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端收到信息："+msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
    }

    /**
     * 启动服务端测试
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8000);
        server.listen();
    }

}

   代码中关键的几个点在：
   Selector.open();
   selector.select();
   阻塞后唤醒可以通过注册在selector上的socket有事件发生 或者 selector.select(timeOut)超时 或者              selector.wakeup()主动唤醒；
   整个阻塞和唤醒的过程涉及到的点非常多，先上一张梳理出的整体图，再进入源码会比较容易理解

 

 

   具体的源码分析就不在这里一一说明了。今天注定是个难忘的日子，昨天深圳下了100多年来的第一场雪，今天周一来上班，好冷好冷，写这篇文章手都快僵了！！！！

   具体详解，可参考：

   http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

   http://zhhphappy.iteye.com/blog/2032893