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Java NIO快速入门

程序员文章站 2024-03-23 15:12:04
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Java NIO 基本介绍

  1. 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
  2. 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。
  3. NIO 有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
  4. 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
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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

  1. 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
  2. BIO 是阻塞的,NIO 则是非阻塞的
  3. 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

Java NIO快速入门

  1. 每个 channel 都会对应一个 Buffer
  2. Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个 channel(连接)
  3. 该图反应了有三个 channel 注册到 该 selector //程序
  4. 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
  5. Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换
  6. Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组
  7. 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
Java NIO快速入门

  • 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)

  1. 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:
  2. 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。
  3. Channel 在 NIO 中是一个接口

public interface Channel extends Closeable{}

  1. 常用的 Channel 类有: FileChannel 、 DatagramChannel 、 ServerSocketChannelSocketChannel
    【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】
  2. 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)

  1. 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)
  2. 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
  3. 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
  4. 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
Java NIO快速入门

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

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  1. 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.
  2. 将 socketChannel 注册到 Selector 上, register(Selector sel, int ops), 一个 selector 上可以注册多个 SocketChannel
  3. 注册后返回一个 SelectionKey, 会和该 Selector 关联(集合)
  4. 进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
  5. 在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel()
  6. 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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