Java NIO深入分析

以下我们系统通过原理，过程等方便给大家深入的简介了java nio的函数机制以及用法等，学习下吧。

前言

本篇主要讲解java中的io机制

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：

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：

2.打开一个客户端：

可以看到客户端打印出了返回结果

3.查看服务端日志：

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 ^ . ^

再给一张tcp下的nio工作流程图（好难画的线条...）

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...

可以看出buffer在整个工作流程中的位置

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
*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：

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，如果大家还有什么不明白的地方可以在下方的留言区域讨论。