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java NIO理解分析与基本使用

我前段时间的一篇博客java网络编程——多线程数据收发并行总结了服务端与客户端之间的收发并行实践。原理很简单,就是针对单一客户端,服务端起两个 线程 分别负责read和write操作,然后线程保持阻塞等待读写执行。

事实上,这样的模式非常糟糕。因为每一个客户端在服务端需要占用两条线程,假如有1000个客户端,则需要2000+条线程。cpu需要花费大量的时间进行线程上下文切换,造成系统资源浪费。

想要缩减线程数量,先要解决阻塞问题。而N IO 可以通过IO多路复用将read和write的阻塞给抹去。再配合 线程池 ,即可实现用少量的线程支撑起上百万个客户端的连接。

什么是NIO

NIO与IO多路复用

java NIO全称java non-blocking IO。字面意思即非阻塞式IO。实际上这里的非阻塞只是宏观的说法。

关于IO模式,这里引一个别人的博客,介绍了几种IO模式的区别:

简述同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO之间的联系与区别

本博客不再赘述这些,只是想说NIO属于其中的IO复用模型。(实验室里有一本《 UNIX网络编程 》疫情结束回学校一定把这部分好好看看)

多路复用IO模型中,会有一个线程去不断轮询多个 socket 的状态,当socket有读写事件时,才来调用IO操作。因为是一个线程来管理多个socket,系统不需要建立其它线程、维护线程,只有socket就绪时,才会使用IO资源,所以它大大降低了资源占用。

java NIO中,使用selector.select()监听多个通道是否有到达事件,没有事件就一直阻塞,有事件就调用IO进行处理。

三大核心

  • 通道( channel
  • 缓冲区(Buffer)
  • 选择器(Selectors)

详细介绍如下

NIO使用举例

这里以服务端读取客户端消息的流程为例,介绍NIO的使用(完整内容只有输入,暂且不管输出)。画了一个流程图,如下所示:

  1. 建立selector和ServerSocketChannel,并绑定注册,用于监听客户端连接请求,代码如下:
 selector = Selector. open ();
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞
server.configureBlocking( false );
// 绑定本地端口
server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
// 注册客户端连接到达监听
server.register(selector, SelectionKey.OP_ accept );
  

同时还要建立readSelector和writeSelector。其实线程池也是提前建立的,这里暂且不写。

 readSelector = Selector.open();
writeSelector = Selector.open();
  
  1. 监听通道,得到客户端,并建立SocketChannel,用于监听后续客户端消息
 //select()方法返回已就绪的通道数
if (selector.select() == 0) {
    continue;
}

 iterator <SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {

    SelectionKey key = iterator.next();
    iterator.remove();

    // 检查当前Key的状态是否是accept的
    // 客户端到达状态
    if (key.isAcceptable()) {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        // 非阻塞状态拿到客户端连接
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        try {
            // 客户端构建异步线程
            // 添加同步处理
            //此处代码暂且忽略
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("客户端连接异常:" + e.getMessage());
        }
    }
  
  1. 将SocketChannel注册进readSelector和writeSelector
 /**
*参数分别是:channel,对应的selector,以及
*registerOps:待注册的操作集,这个在后文中有详细解析;
*locker:用于标识同步代码块的状态,是锁定还是可用;
*runnable:执行具体读写操作的类,送给线程池执行;
*map:建立SelectionKey与Runnable映射关系的 HashMap 。
*/private static SelectionKey registerSelection(SocketChannel channel, Selector selector,
                                                  int registerOps, AtomicBoolean locker,
                                                  HashMap<SelectionKey, Runnable> map,
                                                  Runnable runnable) {
    synchronized (locker) {
    // 设置锁定状态
    locker.set(true);
    
    try {
        // 唤醒当前的selector,让selector不处于select()状态
        //注册channel时一定要将selector唤醒,否则当前select中没有刚注册的channel
        selector.wakeup();
    
        SelectionKey key = null;
        if (channel.isRegistered()) {
            // 查询是否已经注册过
            key = channel.keyFor(selector);
            if (key != null) {
            //将新的Ops添加进去
                key.interestOps(key.readyOps() | registerOps);
            }
        }
    
        if (key == null) {
            // 注册selector得到Key
            key = channel.register(selector, registerOps);
            // 注册回调
            map.put(key, runnable);
        }
    
        return key;
    } catch (ClosedChannelException e) {
        return null;
    } finally {
        // 解除锁定状态
        locker.set(false);
        try {
            // 通知
            locker.notify();
        } catch (Exception ignored) {
        }
    }
    }
}
  
  1. 监听各个客户端消息,通过selectionKeys获取channel,再执行输入操作
 try {
if (readSelector.select() == 0) {
    continue;
}

Set<SelectionKey> selectionKeys = readSelector.selectedKeys();
for (SelectionKey selectionKey : selectionKeys) {
    if (selectionKey.isValid()) {
        //IO处理代码,暂且忽略
    }
}
selectionKeys.clear();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
  

光看上面的代码,对于一些NIO方法的认知还是很模糊的。下面通过阅读selector类和SelectionKey类的源码注释,来加深对部分方法的理解。

selector类

selector是NIO的核心类,下面是选择器的一些重要方法:

  • open相关 open()开启一个selector public abstract boolean isOpen(); 判断是否开启
 public static Selector open() throws IOException {
    return SelectorProvider.provider().openSelector();
}
  
  • keys相关 public abstract Set keys();返回所有key的集合 public abstract Set selectedKeys();返回已被选择的key的集合
  • select 下面几个方法都是返回已就绪通道的数量,可能是0; selectNow(),非阻塞方法; select(),仅在三种情况下返回,1.通道被选择;2.调用wakeup方法;3.线程中断。 select(timeout),比select()多一个解除阻塞的条件,即超时。
  • wakeup(),解除正在阻塞的select方法的阻塞,立即返回
  • close(),关闭selector。

SelectionKey类

注册进selector的任何一个channel都用一个SelectionKey对象来指代。

操作集

  • Operation-set:操作集,一些常量int值,代表各种类型的操作;一个selection key包含两个操作集,interest set和ready-operation set
 public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
  
  • interest set:兴趣集;一个channel所有的操作集;可通过interestOps(int)方法来更新
  • ready-operation set:就绪操作集,只包含使得channel被报告就绪的操作,底层通过与或操作来更新;例如当一个channel读取就绪时,将read操作集加入到就绪集中。

方法列表

  • public abstract SelectableChannel channel():返回此选择键所关联的通道.即使此key已经被取消,仍然会返回;
  • public abstract Selector selector():返回此选择键所关联的选择器,即使此键已经被取消,仍然会返回;
  • public abstract boolean isValid():检测此key是否有效.当key被取消,或者通道被关闭,或者selector被关闭,都将导致此key无效.在AbstractSelector.removeKey(key)中,会导致selectionKey被置为无效;
  • public abstract void cancel():请求将此键取消注册.一旦返回成功,那么该键就是无效的,被添加到selector的cancelledKeys中.cancel操作将key的valid属性置为false,并执行selector.cancel(key)(即将key加入cancelledkey集合);
  • public abstract int interesOps():获得此键的interes集合;
  • public abstract SelectionKey interestOps(int ops):将此键的interst设置为指定值.此操作会对ops和channel.validOps进行校验.如果此ops不会当前channel支持,将抛出异常;
  • public abstract int readyOps():获取此键上ready操作集合.即在当前通道上已经就绪的事件;
  • public final boolean isReadable(): 检测此键”read”事件是否就绪.等效于:(readyOps() & OP_READ) != 0;还有isWritable(),isConnectable(),isAcceptable()
  • public final Object attach(Object ob):将给定的对象作为附件添加到此key上.在key有效期间,附件可以在多个ops事件中传递;
  • public final Object attachment():获取附件.一个channel的附件,可以再当前Channel(或者说是SelectionKey)生命周期中共享,但是attachment数据不会作为socket数据在网络中传输。

终于写完了,这篇博客只能算是对NIO简单介绍,一些东西还没讲到。channel和buffer部分的方法没有分析,线程池部分没有加上,还有输出操作那一套,都没讲。总想尽可能多地详细完整一点,但是越深入,知识点就越庞大,所以只能放弃一部分内容,于是成了现在这个样子。如果详细规划一下拆开多个博客写会更好。

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文章来源:智云一二三科技

文章标题:java NIO理解分析与基本使用

文章地址:https://www.zhihuclub.com/183636.shtml

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