JAVANIO下I/O的阻塞與非阻塞實(shí)現(xiàn)
本篇內(nèi)容介紹了“JAVA NIO下I/O的阻塞與非阻塞實(shí)現(xiàn)”的有關(guān)知識，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！
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當(dāng)前環(huán)境
jdk == 1.8
代碼地址
git 地址： https://github.com/jasonGeng88/java-network-programming
知識點(diǎn)
nio 下 I/O 阻塞與非阻塞實(shí)現(xiàn)
SocketChannel 介紹
I/O 多路復(fù)用的原理
事件選擇器與 SocketChannel 的關(guān)系
事件監(jiān)聽類型
字節(jié)緩沖 ByteBuffer 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
nio 的阻塞實(shí)現(xiàn)
關(guān)于什么是 nio，從字面上理解為 New IO，就是為了彌補(bǔ)原本 I/O 上的不足，而在 JDK 1.4 中引入的一種新的 I/O 實(shí)現(xiàn)方式。簡單理解，就是它提供了 I/O 的阻塞與非阻塞的兩種實(shí)現(xiàn)方式（當(dāng)然，默認(rèn)實(shí)現(xiàn)方式是阻塞的。）。
下面，我們先來看下 nio 以阻塞方式是如何處理的。
建立連接
有了上一篇 socket 的經(jīng)驗(yàn)，我們的第一步一定也是建立 socket 連接。只不過，這里不是采用
new socket() 的方式，而是引入了一個(gè)新的概念
SocketChannel。它可以看作是 socket 的一個(gè)完善類，除了提供 Socket 的相關(guān)功能外，還提供了許多其他特性，如后面要講到的向選擇器注冊的功能。
類圖如下：
建立連接代碼實(shí)現(xiàn)：
// 初始化 socket，建立 socket 與 channel 的綁定關(guān)系 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 初始化遠(yuǎn)程連接地址 SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port); // I/O 處理設(shè)置阻塞，這也是默認(rèn)的方式，可不設(shè)置 socketChannel.configureBlocking(true); // 建立連接 socketChannel.connect(remote);
獲取 socket 連接
因?yàn)槭峭瑯邮?I/O 阻塞的實(shí)現(xiàn)，所以后面的關(guān)于 socket 輸入輸出流的處理，和上一篇的基本相同。唯一差別是，這里需要通過 channel 來獲取 socket 連接。
獲取 socket 連接
Socket socket = socketChannel.socket();
處理輸入輸出流
PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket()); BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());
完整示例
package com.jason.network.mode.nio;
import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;
import java.io.*;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NioBlockingHttpClient {
private SocketChannel socketChannel;
private String host;
public static void main(String[] args) throws IOException {
for (String host: HttpConstant.HOSTS) {
NioBlockingHttpClient client = new NioBlockingHttpClient(host, HttpConstant.PORT);
client.request();
}
}
public NioBlockingHttpClient(String host, int port) throws IOException {
this.host = host;
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);
this.socketChannel.connect(remote);
}
public void request() throws IOException {
PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());
BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());
pw.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
pw.flush();
String msg;
while ((msg = br.readLine()) != null){
System.out.println(msg);
}
}
private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
OutputStream out = socket.getOutputStream();
return new PrintWriter(out);
}
private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
InputStream in = socket.getInputStream();
return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
}
}nio 的非阻塞實(shí)現(xiàn)
原理分析
nio 的阻塞實(shí)現(xiàn)，基本與使用原生的 socket 類似，沒有什么特別大的差別。
下面我們來看看它真正強(qiáng)大的地方。到目前為止，我們將的都是阻塞 I/O。何為阻塞 I/O，看下圖：
我們主要觀察圖中的前三種 I/O 模型，關(guān)于異步 I/O，一般需要依靠操作系統(tǒng)的支持，這里不討論。
從圖中可以發(fā)現(xiàn)，阻塞過程主要發(fā)生在兩個(gè)階段上：
第一階段：等待數(shù)據(jù)就緒；
第二階段：將已就緒的數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間；
這里產(chǎn)生了一個(gè)從內(nèi)核到用戶空間的拷貝，主要是為了系統(tǒng)的性能優(yōu)化考慮。假設(shè)，從網(wǎng)卡讀到的數(shù)據(jù)直接返回給用戶空間，那勢必會造成頻繁的系統(tǒng)中斷，因?yàn)閺木W(wǎng)卡讀到的數(shù)據(jù)不一定是完整的，可能斷斷續(xù)續(xù)的過來。通過內(nèi)核緩沖區(qū)作為緩沖，等待緩沖區(qū)有足夠的數(shù)據(jù)，或者讀取完結(jié)后，進(jìn)行一次的系統(tǒng)中斷，將數(shù)據(jù)返回給用戶，這樣就能避免頻繁的中斷產(chǎn)生。
了解了 I/O 阻塞的兩個(gè)階段，下面我們進(jìn)入正題。看看一個(gè)線程是如何實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理多個(gè) I/O 調(diào)用的。從上圖中的非阻塞 I/O 可以看出，僅僅只有第二階段需要阻塞，第一階段的數(shù)據(jù)等待過程，我們是不需要關(guān)心的。不過該模型是頻繁地去檢查是否就緒，造成了 CPU 無效的處理，反而效果不好。如果有一種類似的好萊塢原則— “不要給我們打電話，我們會打給你” 。這樣一個(gè)線程可以同時(shí)發(fā)起多個(gè) I/O 調(diào)用，并且不需要同步等待數(shù)據(jù)就緒。在數(shù)據(jù)就緒完成的時(shí)候，會以事件的機(jī)制，來通知我們。這樣不就實(shí)現(xiàn)了單線程同時(shí)處理多個(gè) IO 調(diào)用的問題了嗎？即所說的“I/O 多路復(fù)用模型”。
廢話講了一大堆，下面就來實(shí)際操刀一下。
創(chuàng)建選擇器
由上面分析可以，我們得有一個(gè)選擇器，它能監(jiān)聽所有的 I/O 操作，并且以事件的方式通知我們哪些 I/O 已經(jīng)就緒了。
代碼如下：
import java.nio.channels.Selector;
...
private static Selector selector;
static {
try {
selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}創(chuàng)建非阻塞 I/O
下面，我們來創(chuàng)建一個(gè)非阻塞的
SocketChannel，代碼與阻塞實(shí)現(xiàn)類型，唯一不同是socketChannel.configureBlocking(false)。
注意：只有在socketChannel.configureBlocking(false)之后的代碼，才是非阻塞的，如果socketChannel.connect()在設(shè)置非阻塞模式之前，那么連接操作依舊是阻塞調(diào)用的。
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port); // 設(shè)置非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.connect(remote);
建立選擇器與 socket 的關(guān)聯(lián)
選擇器與 socket 都創(chuàng)建好了，下一步就是將兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，好讓選擇器和監(jiān)聽到 Socket 的變化。這里采用了以
SocketChannel 主動注冊到選擇器的方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，這也就解釋了，為什么不直接new Socket()，而是以SocketChannel的方式來創(chuàng)建 socket。
代碼如下：
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
上面代碼，我們將 socketChannel 注冊到了選擇器中，并且對它的連接、可讀、可寫事件進(jìn)行了監(jiān)聽。
具體的事件監(jiān)聽類型如下：
| 操作類型 | 值 | 描述 | 所屬對象 |
|---|---|---|---|
| OP_READ | 1 << 0 | 讀操作 | SocketChannel |
| OP_WRITE | 1 << 2 | 寫操作 | SocketChannel |
| OP_CONNECT | 1 << 3 | 連接socket操作 | SocketChannel |
| OP_ACCEPT | 1 << 4 | 接受socket操作 | ServerSocketChannel |
選擇器監(jiān)聽 socket 變化
現(xiàn)在，選擇器已經(jīng)與我們關(guān)心的 socket 進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。下面就是感知事件的變化，然后調(diào)用相應(yīng)的處理機(jī)制。
這里與 Linux 下的 selector 有點(diǎn)不同，nio 下的 selecotr 不會去遍歷所有關(guān)聯(lián)的 socket。我們在注冊時(shí)設(shè)置了我們關(guān)心的事件類型，每次從選擇器中獲取的，只會是那些符合事件類型，并且完成就緒操作的 socket，減少了大量無效的遍歷操作。
public void select() throws IOException {
// 獲取就緒的 socket 個(gè)數(shù)
while (selector.select() > 0){
// 獲取符合的 socket 在選擇器中對應(yīng)的事件句柄 key
Set keys = selector.selectedKeys();
// 遍歷所有的key
Iterator it = keys.iterator();
while (it.hasNext()){
// 獲取對應(yīng)的 key，并從已選擇的集合中移除
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
it.remove();
if (key.isConnectable()){
// 進(jìn)行連接操作
connect(key);
}
else if (key.isWritable()){
// 進(jìn)行寫操作
write(key);
}
else if (key.isReadable()){
// 進(jìn)行讀操作
receive(key);
}
}
}
}注意：這里的selector.select()是同步阻塞的，等待有事件發(fā)生后，才會被喚醒。這就防止了 CPU 空轉(zhuǎn)的產(chǎn)生。當(dāng)然，我們也可以給它設(shè)置超時(shí)時(shí)間，selector.select(long timeout)來結(jié)束阻塞過程。
處理連接就緒事件
下面，我們分別來看下，一個(gè) socket 是如何來處理連接、寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的（這些操作都是阻塞的過程，只是我們將等待就緒的過程變成了非阻塞的了）。
處理連接代碼：
// SelectionKey 代表 SocketChannel 在選擇器中注冊的事件句柄
private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
// 獲取事件句柄對應(yīng)的 SocketChannel
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 真正的完成 socket 連接
channel.finishConnect();
// 打印連接信息
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
int port = remote.getPort();
System.out.println(String.format("訪問地址: %s:%s 連接成功!", host, port));
}處理寫入就緒事件
// 字符集處理類
private Charset charset = Charset.forName("utf8");
private void write(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
// 獲取 HTTP 請求，同上一篇
String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
// 向 SocketChannel 寫入事件
channel.write(charset.encode(request));
// 修改 SocketChannel 所關(guān)心的事件
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}這里有兩個(gè)地方需要注意：
第一個(gè)是使用
channel.write(charset.encode(request));進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。有人會說，為什么不能像上面同步阻塞那樣，通過PrintWriter包裝類進(jìn)行操作。因?yàn)?code>PrintWriter的write()方法是阻塞的，也就是說要等數(shù)據(jù)真正從 socket 發(fā)送出去后才返回。
這與我們這里所講的阻塞是不一致的，這里的操作雖然也是阻塞的，但它發(fā)生的過程是在數(shù)據(jù)從用戶空間到內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝過程。至于系統(tǒng)將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過 socket 發(fā)送出去，這不在阻塞范圍內(nèi)。也解釋了為什么要用
Charset 對寫入內(nèi)容進(jìn)行編碼了，因?yàn)榫彌_區(qū)接收的格式是ByteBuffer。
第二，選擇器用來監(jiān)聽事件變化的兩個(gè)參數(shù)是
interestOps與readyOps。interestOps：表示
SocketChannel所關(guān)心的事件類型，也就是告訴選擇器，當(dāng)有這幾種事件發(fā)生時(shí)，才來通知我。這里通過key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);告訴選擇器，之后我只關(guān)心“讀就緒”事件，其他的不用通知我了。readyOps：表示
SocketChannel當(dāng)前就緒的事件類型。以key.isReadable()為例，判斷依據(jù)就是：return (readyOps() & OP_READ) != 0;
處理讀取就緒事件
private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
String receiveData = charset.decode(buffer).toString();
// 當(dāng)再沒有數(shù)據(jù)可讀時(shí)，取消在選擇器中的關(guān)聯(lián)，并關(guān)閉 socket 連接
if ("".equals(receiveData)) {
key.cancel();
channel.close();
return;
}
System.out.println(receiveData);
}這里的處理基本與寫入一致，唯一要注意的是，這里我們需要自行處理去緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的操作。首先會分配一個(gè)固定大小的緩沖區(qū)，然后從內(nèi)核緩沖區(qū)中，拷貝數(shù)據(jù)至我們剛分配固定緩沖區(qū)上。這里存在兩種情況：
我們分配的緩沖區(qū)過大，那多余的部分以0補(bǔ)充（初始化時(shí)，其實(shí)會自動補(bǔ)0）。
我們分配的緩沖去過小，因?yàn)檫x擇器會不停的遍歷。只要
SocketChannel處理讀就緒狀態(tài)，那下一次會繼續(xù)讀取。當(dāng)然，分配過小，會增加遍歷次數(shù)。
最后，將一下
ByteBuffer 的結(jié)構(gòu)，它主要有 position, limit,capacity 以及 mark 屬性。以
buffer.flip(); 為例，講下各屬性的作用（mark 主要是用來標(biāo)記之前 position 的位置，是在當(dāng)前 postion 無法滿足的情況下使用的，這里不作討論）。
從圖中看出，
容量（capacity）：表示緩沖區(qū)可以保存的數(shù)據(jù)容量；
極限（limit）：表示緩沖區(qū)的當(dāng)前終點(diǎn)，即寫入、讀取都不可超過該重點(diǎn)；
位置（position）：表示緩沖區(qū)下一個(gè)讀寫單元的位置；
完整代碼
package com.jason.network.mode.nio;
import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class NioNonBlockingHttpClient {
private static Selector selector;
private Charset charset = Charset.forName("utf8");
static {
try {
selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
NioNonBlockingHttpClient client = new NioNonBlockingHttpClient();
for (String host: HttpConstant.HOSTS) {
client.request(host, HttpConstant.PORT);
}
client.select();
}
public void request(String host, int port) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(remote);
socketChannel.register(selector,
SelectionKey.OP_CONNECT
| SelectionKey.OP_READ
| SelectionKey.OP_WRITE);
}
public void select() throws IOException {
while (selector.select(500) > 0){
Set keys = selector.selectedKeys();
Iterator it = keys.iterator();
while (it.hasNext()){
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
it.remove();
if (key.isConnectable()){
connect(key);
}
else if (key.isWritable()){
write(key);
}
else if (key.isReadable()){
receive(key);
}
}
}
}
private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
channel.finishConnect();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
int port = remote.getPort();
System.out.println(String.format("訪問地址: %s:%s 連接成功!", host, port));
}
private void write(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
System.out.println(request);
channel.write(charset.encode(request));
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
String receiveData = charset.decode(buffer).toString();
if ("".equals(receiveData)) {
key.cancel();
channel.close();
return;
}
System.out.println(receiveData);
}
}示例效果
“JAVA NIO下I/O的阻塞與非阻塞實(shí)現(xiàn)”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！
當(dāng)前名稱：JAVANIO下I/O的阻塞與非阻塞實(shí)現(xiàn)
文章URL：http://chinadenli.net/article10/jijggo.html
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