Java NIO详解

ゝ一世哀愁。 2022-05-29 09:48 232阅读 0赞

## 原作地址：https://segmentfault.com/a/1190000012316621 ##

## 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：

![Image 1][]

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：

![Image 1][]

2.打开一个客户端：

![Image 1][]

可以看到客户端打印出了返回结果

3.查看服务端日志：

![Image 1][]

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 ^ . ^**

![Image 1][]

**再给一张TCP下的NIO工作流程图（好难画的线条...）**

![Image 1][]

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...

![Image 1][]

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：

![Image 1][]

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<SelectionKey> 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：

![Image 1][]

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**

[Image 1]: