Java NIO原理图文分析及代码实现
前言:
最近在分析hadoop的rpc(remote procedure call protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考: )机制时,发现hadoop的rpc机制的实现主要用到了两个技术:动态代理(动态代理可以参考博客: )和java nio。为了能够正确地分析hadoop的rpc源码,我觉得很有必要先研究一下java nio的原理和具体实现。
这篇博客我主要从两个方向来分析java nio
目录:
一.java nio 和阻塞i/o的区别
1. 阻塞i/o通信模型
2. java nio原理及通信模型
二.java nio服务端和客户端代码实现
具体分析:
一.java nio 和阻塞i/o的区别
1. 阻塞i/o通信模型
假如现在你对阻塞i/o已有了一定了解,我们知道阻塞i/o在调用inputstream.read()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来时(或超时)才会返回;同样,在调用serversocket.accept()方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞i/o的通信模型示意图如下:
如果你细细分析,一定会发现阻塞i/o存在一些缺点。根据阻塞i/o通信模型,我总结了它的两点缺点:
1. 当客户端多时,会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些cpu时间
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换,且大部分上下文切换可能是无意义的。
在这种情况下非阻塞式i/o就有了它的应用前景。
2. java nio原理及通信模型
java nio是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新i/o”,也可以说成非阻塞式i/o。下面是java nio的工作原理:
1. 由一个专门的线程来处理所有的 io 事件,并负责分发。
2. 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
3. 线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。
阅读过一些资料之后,下面贴出我理解的java nio的工作原理图:
(注:每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。)
java nio的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 io 事件,这种通信模型是怎么实现的呢?呵呵,我们一起来探究它的奥秘吧。java nio采用了双向通道(channel)进行数据传输,而不是单向的流(stream),在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件:
事件名 | 对应值 |
服务端接收客户端连接事件 | selectionkey.op_accept(16) |
客户端连接服务端事件 | selectionkey.op_connect(8) |
读事件 | selectionkey.op_read(1) |
写事件 | selectionkey.op_write(4) |
服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象,我们称之为selector,该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例,如果服务端的selector上注册了读事件,某时刻客户端给服务端发送了一些数据,阻塞i/o这时会调用read()方法阻塞地读取数据,而nio的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector,如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达,则处理这些事件,如果没有感兴趣的事件到达,则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java nio的通信模型示意图:
二.java nio服务端和客户端代码实现
为了更好地理解java nio,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。
服务端:
package cn.nio; 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.serversocketchannel; import java.nio.channels.socketchannel; import java.util.iterator; /** * nio服务端 * @author 小路 */ public class nioserver { //通道管理器 private selector selector; /** * 获得一个serversocket通道,并对该通道做一些初始化的工作 * @param port 绑定的端口号 * @throws ioexception */ public void initserver(int port) throws ioexception { // 获得一个serversocket通道 serversocketchannel serverchannel = serversocketchannel.open(); // 设置通道为非阻塞 serverchannel.configureblocking(false); // 将该通道对应的serversocket绑定到port端口 serverchannel.socket().bind(new inetsocketaddress(port)); // 获得一个通道管理器 this.selector = selector.open(); //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册selectionkey.op_accept事件,注册该事件后, //当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。 serverchannel.register(selector, selectionkey.op_accept); } /** * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 * @throws ioexception */ @suppresswarnings("unchecked") public void listen() throws ioexception { system.out.println("服务端启动成功!"); // 轮询访问selector while (true) { //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞 selector.select(); // 获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件 iterator ite = this.selector.selectedkeys().iterator(); while (ite.hasnext()) { selectionkey key = (selectionkey) ite.next(); // 删除已选的key,以防重复处理 ite.remove(); // 客户端请求连接事件 if (key.isacceptable()) { serversocketchannel server = (serversocketchannel) key .channel(); // 获得和客户端连接的通道 socketchannel channel = server.accept(); // 设置成非阻塞 channel.configureblocking(false); //在这里可以给客户端发送信息哦 channel.write(bytebuffer.wrap(new string("向客户端发送了一条信息").getbytes())); //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。 channel.register(this.selector, selectionkey.op_read); // 获得了可读的事件 } else if (key.isreadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取客户端发来的信息 的事件 * @param key * @throws ioexception */ public void read(selectionkey key) throws ioexception{ // 服务器可读取消息:得到事件发生的socket通道 socketchannel channel = (socketchannel) key.channel(); // 创建读取的缓冲区 bytebuffer buffer = bytebuffer.allocate(10); channel.read(buffer); byte[] data = buffer.array(); string msg = new string(data).trim(); system.out.println("服务端收到信息:"+msg); bytebuffer outbuffer = bytebuffer.wrap(msg.getbytes()); channel.write(outbuffer);// 将消息回送给客户端 } /** * 启动服务端测试 * @throws ioexception */ public static void main(string[] args) throws ioexception { nioserver server = new nioserver(); server.initserver(8000); server.listen(); } }
客户端:
package cn.nio; 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; /** * nio客户端 * @author 小路 */ public class nioclient { //通道管理器 private selector selector; /** * 获得一个socket通道,并对该通道做一些初始化的工作 * @param ip 连接的服务器的ip * @param port 连接的服务器的端口号 * @throws ioexception */ public void initclient(string ip,int port) throws ioexception { // 获得一个socket通道 socketchannel channel = socketchannel.open(); // 设置通道为非阻塞 channel.configureblocking(false); // 获得一个通道管理器 this.selector = selector.open(); // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接,需要在listen()方法中调 //用channel.finishconnect();才能完成连接 channel.connect(new inetsocketaddress(ip,port)); //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册selectionkey.op_connect事件。 channel.register(selector, selectionkey.op_connect); } /** * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 * @throws ioexception */ @suppresswarnings("unchecked") public void listen() throws ioexception { // 轮询访问selector while (true) { selector.select(); // 获得selector中选中的项的迭代器 iterator ite = this.selector.selectedkeys().iterator(); while (ite.hasnext()) { selectionkey key = (selectionkey) ite.next(); // 删除已选的key,以防重复处理 ite.remove(); // 连接事件发生 if (key.isconnectable()) { socketchannel channel = (socketchannel) key .channel(); // 如果正在连接,则完成连接 if(channel.isconnectionpending()){ channel.finishconnect(); } // 设置成非阻塞 channel.configureblocking(false); //在这里可以给服务端发送信息哦 channel.write(bytebuffer.wrap(new string("向服务端发送了一条信息").getbytes())); //在和服务端连接成功之后,为了可以接收到服务端的信息,需要给通道设置读的权限。 channel.register(this.selector, selectionkey.op_read); // 获得了可读的事件 } else if (key.isreadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取服务端发来的信息 的事件 * @param key * @throws ioexception */ public void read(selectionkey key) throws ioexception{ //和服务端的read方法一样 } /** * 启动客户端测试 * @throws ioexception */ public static void main(string[] args) throws ioexception { nioclient client = new nioclient(); client.initclient("localhost",8000); client.listen(); } }
小结:
终于把动态代理和java nio分析完了,呵呵,下面就要分析hadoop的rpc机制源码了,博客地址: 。不过如果对java nio的理解存在异议的,欢迎一起讨论。
如需转载,请注明出处:
下一篇: Java配置JDK开发环境及环境变量