Java NIO快速入门
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2024-03-23 15:12:04
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Java NIO 基本介绍
- Java NIO 全称 java non-blocking IO,是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始,Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性,被统称为 NIO(即 New IO),是同步非阻塞的
- NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下,并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
- NIO 有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
- NIO 是 面向缓冲区 ,或者面向 块 编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动,这就增加了处理过程中的灵活性,使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
- Java NIO 的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求或者读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取,而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此,一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。
- 通俗理解:NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况,可以分配
50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样,非得分配 10000 个。 - HTTP2.0 使用了多路复用的技术,做到同一个连接并发处理多个请求,而且并发请求的数量比 HTTP1.1 大了好几个数量级
NIO 和 BIO 的比较
- BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多
- BIO 是阻塞的,NIO 则是非阻塞的
- BIO 基于字节流和字符流进行操作,而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件(比如:连接请求,数据到达等),因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道
Buffer 、 Channel 和 Selector 的关系图
- 每个 channel 都会对应一个 Buffer
- Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个 channel(连接)
- 该图反应了有三个 channel 注册到 该 selector //程序
- 程序切换到哪个 channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
- Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换
- Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组
- 数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO , BIO 中要么是输入流,或者是输出流, 不能双向,但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如 Linux , 底层的操作系统通道就是双向的.
缓冲区(Buffer)
缓冲区(Buffer):缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块,可以理解成是一个容器对象(含数组),该对象提供了一组方法,可以更轻松地使用内存块,,缓冲区对象内置了一些机制,能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道,但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
缓冲区中的四个核心
索引 | 说明 |
---|---|
capacity | 容量,表示缓冲区中最大存储数据的容量,一旦声明不能改变 |
limit | 界限,表示缓冲区中可以操作数据的大小。(limit后数据不能进行读写) |
position | 位置,表示缓冲区中正在操作数据的位置 |
mark | 标记,表示记录当前position的位置。可以通过reset()恢复到mark的位置 |
备注:0<=mark<=position<=limit<=capacity
通道(Channel)
- NIO 的通道类似于流,但有些区别如下:
通道可以同时进行读写,而流只能读或者只能写
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲读数据,也可以写数据到缓冲: - BIO 中的 stream 是单向的,例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作,而 NIO 中的通道(Channel)
是双向的,可以读操作,也可以写操作。 - Channel 在 NIO 中是一个接口
public interface Channel extends Closeable{}
- 常用的 Channel 类有: FileChannel 、 DatagramChannel 、 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 。
【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】 - FileChannel 用于文件的数据读写, DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写, ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。
选择器(Selector)
- Java 的 NIO,用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程,处理多个的客户端连接,就会使用到 Selector(选择器)
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector),如果有事件发生,便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道,也就是管理多个连接和请求
- 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时,才会进行读写,就大大地减少了系统开销,并且不必为每个连接都创建一个线程,不用去维护多个线程
- 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销
Selector 示意图和特点说明
- Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器,也叫多路复用器),可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
- 当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时,若没有数据可用时,该线程可以进行其他任务。
- 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作,所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
- 由于读写操作都是非阻塞的,这就可以充分提升 IO 线程的运行效率,避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
- 一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作,这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型,架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。
NIO 非阻塞网络编程原理分析图
- 当客户端连接时,会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel 2) Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.
- 将 socketChannel 注册到 Selector 上, register(Selector sel, int ops), 一个 selector 上可以注册多个 SocketChannel
- 注册后返回一个 SelectionKey, 会和该 Selector 关联(集合)
- 进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
- 在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel()
- 可以通过 得到的 channel , 完成业务处理
案例(实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯)
服务端
package com.at.nio;
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;
import java.util.Set;
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建ServerSocketChannel -> ServerSocket
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//得到一个selector对象
Selector selector = Selector.open();
//绑定一个端口6666,在服务器端监听
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
//设为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//把serverSocketChannel注册到Selector 关心事件为OP_ACCEPT
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//循环等待客户端连接
while (true) {
//这里等待1秒,如果没有事件发生,返回
if (selector.select(1000) == 0){
System.out.println("服务器等待了1秒,无连接");
continue;
}
//如果返回的>0,就获取相关的selectionKey集合
//1.如果返回的>0,表示已经获取到关注的事件
//2.selector.selectedKeys()返回关注事件的集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//使用迭代器遍历
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()){
//获取到SelectionKey
SelectionKey selectionKey = keyIterator.next();
//根据key对应的通道发生的事件做相应处理
if (selectionKey.isAcceptable()) {//如果是OP_ACCEPT,有新的客户端连接
//给该客户端生成一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
//将socketChannel注册到selector,关注事件为OP_READ,同时给socketChannel关联一个buffer
System.out.println("客户端连接成功,生成了一个socketChannel" + socketChannel.hashCode());
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
}
if (selectionKey.isReadable()){ //发生OP_READ
//通过key反向获取到对应channel
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
//获取到该channel关联的buffer
ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer)selectionKey.attachment();
channel.read(byteBuffer);
System.out.println("from 客户端:" + new String(byteBuffer.array()));
}
//手动从集合中移除当前的selectionKey,防止重复操作
keyIterator.remove();
}
}
}
}
客户端
package com.at.nio;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//得到一个网络通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//提供服务器端的ip和端口
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
//连接服务器
if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){
while (!socketChannel.finishConnect()){
System.out.println("因为连接需要时间,客户端不会阻塞,可以做其他工作..");
}
}
//如果连接成功,就发送数据
String string = "akm~";
ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap(string.getBytes());
socketChannel.write(wrap);
System.in.read();
}
}
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