(一)NIO
- ① 介绍
java.nio全称java non-blocking IO(实际上是 new io),是指JDK 1.4 及以上版本里提供的新api(New IO) ,为所有的原始类型(boolean类型除外)提供缓存支持的数据容器,使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
HTTP2.0使用了多路复用的技术,做到同一个连接并发处理多个请求,而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。
- ② 三大核心组件
高性能网络编程的基础组件, buffer 缓存区、Channel 通道、Selector 选择器。
(二) Buffer缓存区
- ① 介绍
缓存区本质上是一个可以写入数据的内存块(类似数组),然后可以再次读取。此内存块包含在NIO Buffer 对象中,该对象提供了一组方法,可以更轻松地使用内存块。
相比较直接对数组的操作。Buffer API 更加容易操作和管理。
- ② 使用Buffer进行数据写入与读取,需要进行如下四个步骤
- 将数据写入缓冲区。
- 调用buffer.flip(),转换为读取模式。
- 缓冲区读取数据。
- 调用buffer.clear() 或 buffer.compact() 消除缓冲区
- ③ Buffer工作原理
BUffer三个重要属性,通过完成了数组的封装。
1.capacity 容量:作为一个内存块,Buffer具有一定的固定大小,也称为【容量】。
2.position 位置:写入模式时代表写数据的位置。读取模式时代表读取数据的位置。
3.limit 限制:写入模式,限制等于buffer的容量,读取模式下,limit等于写入的数据量。
- ④ 源码
import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.LongBuffer; public class BufferDemo { public static void main(String[] args) { // 构建一个byte字节缓冲区,容量是4 //堆内存 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4); //堆外内存 // ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(4); // 默认写入模式,查看三个重要的指标 System.out.println(String.format("初始化:capacity容量:%s, position位置:%s, limit限制:%s", byteBuffer.capacity(), byteBuffer.position(), byteBuffer.limit())); // 写入2字节的数据 byteBuffer.put((byte) 1); byteBuffer.put((byte) 2); byteBuffer.put((byte) 3); // 再看数据 System.out.println(String.format("写入3字节后,capacity容量:%s, position位置:%s, limit限制:%s", byteBuffer.capacity(), byteBuffer.position(), byteBuffer.limit())); // 转换为读取模式(不调用flip方法,也是可以读取数据的,但是position记录读取的位置不对) System.out.println("#######开始读取"); byteBuffer.flip(); byte a = byteBuffer.get(); System.out.println(a); byte b = byteBuffer.get(); System.out.println(b); System.out.println(String.format("读取2字节数据后,capacity容量:%s, position位置:%s, limit限制:%s", byteBuffer.capacity(), byteBuffer.position(), byteBuffer.limit())); // 继续写入3字节,此时读模式下,limit=3,position=2.继续写入只能覆盖写入一条数据 // clear()方法清除整个缓冲区。compact()方法仅清除已阅读的数据。转为写入模式 byteBuffer.compact(); // buffer : 1 , 3 byteBuffer.put((byte) 3); byteBuffer.put((byte) 4); byteBuffer.put((byte) 5); System.out.println(String.format("最终的情况,capacity容量:%s, position位置:%s, limit限制:%s", byteBuffer.capacity(), byteBuffer.position(), byteBuffer.limit())); // rewind() 重置position为0 // mark() 标记position的位置 // reset() 重置position为上次mark()标记的位置 } }
- ⑤ ByteBuffer 内存类型
ByteBuffer 为性能关键型代码提供了直接内存(direct堆外)和非直接内存(heap堆)两种实现,堆外内存获取的方式
ByteBuffer directBytebuffer = ByteBuffer.allocateDirect(noBytes);
好处
- 进行网络IO 或者 文件IO时比heapBuffer 少一次拷贝,(file/socket —— OS memory —— jvm heap )GC会移动对象内存,在写file 或 socket的过程中,JVM的实现中,会先把数据复制到堆外,在进行写入。
- GC范围之外,降低GC压力,但实现了自动管理。DirectByteBuffer 中 有一个Cleaner 对象(PhantomReference) ,Cleaner被GC前会执行clean 方法,触发DirectByteBuffer 中定义Deallocator
建议
- 性能确实可观的时候才去使用,分配给大型,长寿命(网络传输,文件读写场景)
- 通过虚拟机参数MaxDirectMemorySize限制大小,防止耗尽整个机器的内存,在JVM之外的内存无法监控。
(三)Channel 通道
- ① 介绍
Channel的API 涵盖了UDP、TCP网络和文件IO,FileChannel,DatagramChannel,Socket channel ,ServerSocketChannel。
- ② 和标准IO Stream操作的区别
在一个通道内进行读取和写入stream通常是单向的(input 或 output),可以非堵塞读取和写入通道,通道事中读取或写入缓冲区。
- ③ SocketChannel
SocketChannel用于建立TCP网络连接,类似java.net.Socket。有两种创建socketChannel形式
1.客户端主动发起和服务器的连接
2.服务器获取的新连接
write写
在尚未写入任何内容时可能就返回了。需要在循环中调用write()
read读
read() 方法可能直接返回而根本不读取任何数据,根据返回的int值判断读取了多少字节。
- ④ ServerSocketChannel
ServerSocketChannel 可能监听新建立的TCP连接通道,类似ServerSocket。
ServerSocketChannel.accepta()
如果该通道处于飞度赛模式,那么如何没有挂起的连接,该方法将立即返回null。必须检查返回的SocketChannel是否为null。
- ⑤ 源码
import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Scanner; public class NIOClient { public static void main(String[] args) throws Exception { SocketChannel socketChannel = SocketChannel. open (); socketChannel.configureBlocking( false ); socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080)); while (!socketChannel.finishConnect()) { // 没连接上,则一直等待 Thread.yield(); } Scanner scanner = new Scanner(System.in); System.out.println("请输入:"); // 发送内容 String msg = scanner.nextLine(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); while (buffer.hasRemaining()) { socketChannel.write(buffer); } // 读取响应 System.out.println("收到服务端响应:"); ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) { // 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了) if (requestBuffer.position() > 0) break; } requestBuffer.flip(); byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()]; requestBuffer.get(content); System.out.println(new String(content)); scanner.close(); socketChannel.close(); } }
import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.ArrayList; import java.util. iterator ; /** * 直接基于非阻塞的写法,一个 线程 处理 轮询 所有请求 */ public class NIOServer1 { /** * 已经建立连接的集合 */ private static ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>(); public static void main(String[] args) throws Exception { // 创建网络服务端 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式 serverSocketChannel.socket(). bind (new InetSocketAddress(8080)); // 绑定端口 System.out.println("启动成功"); while (true) { SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel. accept (); // 获取新tcp连接通道 // tcp请求 读取/响应 if (socketChannel != null) { System.out.println("收到新连接 : " + socketChannel.getRemoteAddress()); socketChannel.configureBlocking(false); // 默认是阻塞的,一定要设置为非阻塞 channels.add(socketChannel); } else { // 没有新连接的情况下,就去处理现有连接的数据,处理完的就删除掉 Iterator<SocketChannel> iterator = channels.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SocketChannel ch = iterator.next(); try { ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); if (ch.read(requestBuffer) == 0) { // 等于0,代表这个通道没有数据需要处理,那就待会再处理 continue; } while (ch.isOpen() && ch.read(requestBuffer) != -1) { // 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了) if (requestBuffer.position() > 0) break; } if(requestBuffer.position() == 0) continue; // 如果没数据了, 则不继续后面的处理 requestBuffer.flip(); byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()]; requestBuffer.get(content); System.out.println(new String(content)); System.out.println("收到数据,来自:" + ch.getRemoteAddress()); // 响应结果 200 String response = "HTTP/1.1 200 OKrn" + "Content-Length: 11rnrn" + "Hello World"; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes()); while (buffer.hasRemaining()) { ch.write(buffer); } iterator.remove(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); iterator.remove(); } } } } // 用到了非阻塞的API, 再设计上,和BIO可以有很大的不同 // 问题: 轮询通道的方式,低效,浪费CPU } }
(四)Select选择器
- ① 介绍
Selector 是一个Java NIO 组件,可以检查一个或多个NIO通道,并确定哪些通道已准备好进行读取或写入,实现单个线程可以管理多个通道,从而管理或多个网络连接。
- ② selector 监听多个 channel的不同事件
- Connect 连接(SelectionKey.OP_CONNECT)
- Accept 准备就绪(OP_ACCEPT)
- Read 读取(OP_READ)
- Write 写入(OP_WRITE)
- ③ selector 选择器
一个线程处理多个通道的核心概念理解:事件驱动机制。
非堵塞的网络通道下,开发者通过Selector注册对于通道感兴趣的事件类型,线程通过监听事件来触发响应的代码执行(最底层hi操作系统的多路复用机制)
- ④ 源码
import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.*; import java.util.Iterator; import java.util.Set; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; /** * 结合Selector实现的非阻塞服务端(放弃对channel的轮询,借助消息通知机制) */ public class NIOServerV2 { public static void main(String[] args) throws Exception { // 1. 创建网络服务端ServerSocketChannel ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式 // 2. 构建一个Selector选择器,并且将channel注册上去 Selector selector = Selector.open(); SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, serverSocketChannel);// 将serverSocketChannel注册到selector selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); // 对serverSocketChannel上面的accept事件感兴趣(serverSocketChannel只能支持accept操作) // 3. 绑定端口 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println("启动成功"); while (true) { // 不再轮询通道,改用下面轮询事件的方式.select方法有阻塞效果,直到有事件通知才会有返回 selector.select(); // 获取事件 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); // 遍历查询结果e Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator(); while (iter.hasNext()) { // 被封装的查询结果 SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); // 关注 Read 和 Accept两个事件 if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.attachment(); // 将拿到的客户端连接通道,注册到selector上面 SocketChannel clientSocketChannel = server.accept(); // mainReactor 轮询accept clientSocketChannel.configureBlocking(false); clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, clientSocketChannel); System.out.println("收到新连接 : " + clientSocketChannel.getRemoteAddress()); } if (key.isReadable()) { SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.attachment(); try { ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) { // 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了) if (requestBuffer.position() > 0) break; } if(requestBuffer.position() == 0) continue; // 如果没数据了, 则不继续后面的处理 requestBuffer.flip(); byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()]; requestBuffer.get(content); System.out.println(new String(content)); System.out.println("收到数据,来自:" + socketChannel.getRemoteAddress()); // TODO 业务操作 数据库 接口调用等等 // 响应结果 200 String response = "HTTP/1.1 200 OKrn" + "Content-Length: 11rnrn" + "Hello World"; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes()); while (buffer.hasRemaining()) { socketChannel.write(buffer); } } catch (IOException e) { // e.printStackTrace(); key.cancel(); // 取消事件订阅 } } } selector.selectNow(); } // 问题: 此处一个selector监听所有事件,一个线程处理所有请求事件. 会成为瓶颈! 要有多线程的运用 } }
- ⑤ NIO 和 BIO 的区别
- ⑥ NIO Reactor的方式
import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.*; import java.util.Iterator; import java.util.Random; import java.util.Set; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.FutureTask; import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; /** * NIO selector 多路复用reactor线程模型 */ public class NIOServerV3 { /** 处理业务操作的线程 */ private static ExecutorService workPool = Executors.newCachedThreadPool(); /** * 封装了selector.select()等事件轮询的代码 */ abstract class ReactorThread extends Thread { Selector selector; LinkedBlockingQueue<Runnable> taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>(); /** * Selector监听到有事件后,调用这个方法 */ public abstract void handler(SelectableChannel channel) throws Exception; private ReactorThread() throws IOException { selector = Selector.open(); } volatile boolean running = false; @Override public void run() { // 轮询Selector事件 while (running) { try { // 执行队列中的任务 Runnable task; while ((task = taskQueue.poll()) != null) { task.run(); } selector.select(1000); // 获取查询结果 Set<SelectionKey> selected = selector.selectedKeys(); // 遍历查询结果 Iterator<SelectionKey> iter = selected.iterator(); while (iter.hasNext()) { // 被封装的查询结果 SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); int readyOps = key.readyOps(); // 关注 Read 和 Accept两个事件 if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) { try { SelectableChannel channel = (SelectableChannel) key.attachment(); channel.configureBlocking(false); handler(channel); if (!channel.isOpen()) { key.cancel(); // 如果关闭了,就取消这个KEY的订阅 } } catch (Exception ex) { key.cancel(); // 如果有异常,就取消这个KEY的订阅 } } } selector.selectNow(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } private SelectionKey register(SelectableChannel channel) throws Exception { // 为什么register要以任务提交的形式,让reactor线程去处理? // 因为线程在执行channel注册到selector的过程中,会和调用selector.select()方法的线程争用同一把锁 // 而select()方法实在eventLoop中通过while循环调用的,争抢的可能性很高,为了让register能更快的执行,就放到同一个线程来处理 FutureTask<SelectionKey> futureTask = new FutureTask<>(() -> channel.register(selector, 0, channel)); taskQueue.add(futureTask); return futureTask.get(); } private void doStart() { if (!running) { running = true; start(); } } } private ServerSocketChannel serverSocketChannel; // 1、创建多个线程 - accept处理reactor线程 (accept线程) private ReactorThread[] mainReactorThreads = new ReactorThread[1]; // 2、创建多个线程 - io处理reactor线程 (I/O线程) private ReactorThread[] subReactorThreads = new ReactorThread[8]; /** * 初始化线程组 */ private void newGroup() throws IOException { // 创建IO线程,负责处理客户端连接以后socketChannel的IO读写 for (int i = 0; i < subReactorThreads.length; i++) { subReactorThreads[i] = new ReactorThread() { @Override public void handler(SelectableChannel channel) throws IOException { // work线程只负责处理IO处理,不处理accept事件 SocketChannel ch = (SocketChannel) channel; ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); while (ch.isOpen() && ch.read(requestBuffer) != -1) { // 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了) if (requestBuffer.position() > 0) break; } if (requestBuffer.position() == 0) return; // 如果没数据了, 则不继续后面的处理 requestBuffer.flip(); byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()]; requestBuffer.get(content); System.out.println(new String(content)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "收到数据,来自:" + ch.getRemoteAddress()); // TODO 业务操作 数据库、接口... workPool.submit(() -> { }); // 响应结果 200 String response = "HTTP/1.1 200 OKrn" + "Content-Length: 11rnrn" + "Hello World"; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes()); while (buffer.hasRemaining()) { ch.write(buffer); } } }; } // 创建mainReactor线程, 只负责处理serverSocketChannel for (int i = 0; i < mainReactorThreads.length; i++) { mainReactorThreads[i] = new ReactorThread() { AtomicInteger incr = new AtomicInteger(0); @Override public void handler(SelectableChannel channel) throws Exception { // 只做请求分发,不做具体的数据读取 ServerSocketChannel ch = (ServerSocketChannel) channel; SocketChannel socketChannel = ch.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); // 收到连接建立的通知之后,分发给I/O线程继续去读取数据 int index = incr.getAndIncrement() % subReactorThreads.length; ReactorThread workEventLoop = subReactorThreads[index]; workEventLoop.doStart(); SelectionKey selectionKey = workEventLoop.register(socketChannel); selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "收到新连接 : " + socketChannel.getRemoteAddress()); } }; } } /** * 初始化channel,并且绑定一个eventLoop线程 * * @throws IOException IO异常 */ private void initAndRegister() throws Exception { // 1、 创建ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 2、 将serverSocketChannel注册到selector int index = new Random().nextInt(mainReactorThreads.length); mainReactorThreads[index].doStart(); SelectionKey selectionKey = mainReactorThreads[index].register(serverSocketChannel); selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); } /** * 绑定端口 * * @throws IOException IO异常 */ private void bind() throws IOException { // 1、 正式绑定端口,对外服务 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println("启动完成,端口8080"); } public static void main(String[] args) throws Exception { NIOServerV3 nioServerV3 = new NIOServerV3(); nioServerV3.newGroup(); // 1、 创建main和sub两组线程 nioServerV3.initAndRegister(); // 2、 创建serverSocketChannel,注册到mainReactor线程上的selector上 nioServerV3.bind(); // 3、 为serverSocketChannel绑定端口 } }
PS:NIO为开发者提供了功能丰富及强大的IO处理API,但是在应用开发的过程中,直接使用JDK提供的API,比较繁琐,而且要想将性能进行提升,光有NIO还是不够的,还需要将多线程技术与之结合起来。因为网络编程本身的复杂性,以及JDK API开发的使用难度较高,所以开源社区中,涌出来很多的JDK NIO进行封装了,增强后的网络编程框架,例如:Netty、Mina等。