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Java NIO原理图文分析及代码实现

發(fā)布時(shí)間：2025/6/15 java 32 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Java NIO原理图文分析及代码实现小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議，它是一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請(qǐng)求服務(wù)，而不需要了解底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議。可以參考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm?）機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)hadoop的RPC機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要用到了兩個(gè)技術(shù)：動(dòng)態(tài)代理（動(dòng)態(tài)代理可以參考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774?）和java NIO。為了能夠正確地分析hadoop的RPC源碼，我覺(jué)得很有必要先研究一下java NIO的原理和具體實(shí)現(xiàn)。

這篇博客我主要從兩個(gè)方向來(lái)分析java NIO

目錄：
一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別
???? 1. 阻塞I/O通信模型
???? 2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)?

具體分析：?

一．java NIO 和阻塞I/O的區(qū)別?

1. 阻塞I/O通信模型?

假如現(xiàn)在你對(duì)阻塞I/O已有了一定了解，我們知道阻塞I/O在調(diào)用InputStream.read()方法時(shí)是阻塞的，它會(huì)一直等到數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)（或超時(shí)）才會(huì)返回；同樣，在調(diào)用ServerSocket.accept()方法時(shí)，也會(huì)一直阻塞到有客戶端連接才會(huì)返回，每個(gè)客戶端連接過(guò)來(lái)后，服務(wù)端都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程去處理該客戶端的請(qǐng)求。阻塞I/O的通信模型示意圖如下：

如果你細(xì)細(xì)分析，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)阻塞I/O存在一些缺點(diǎn)。根據(jù)阻塞I/O通信模型，我總結(jié)了它的兩點(diǎn)缺點(diǎn)：
1. 當(dāng)客戶端多時(shí)，會(huì)創(chuàng)建大量的處理線程。且每個(gè)線程都要占用棧空間和一些CPU時(shí)間

2. 阻塞可能帶來(lái)頻繁的上下文切換，且大部分上下文切換可能是無(wú)意義的。

在這種情況下非阻塞式I/O就有了它的應(yīng)用前景。

2.?java NIO原理及通信模型?

Java NIO是在jdk1.4開(kāi)始使用的，它既可以說(shuō)成“新I/O”，也可以說(shuō)成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

1. 由一個(gè)專門的線程來(lái)處理所有的 IO 事件，并負(fù)責(zé)分發(fā)。?
2. 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制：事件到的時(shí)候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)視事件。?
3. 線程通訊：線程之間通過(guò) wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無(wú)謂的線程切換。?

閱讀過(guò)一些資料之后，下面貼出我理解的java NIO的工作原理圖：

（注：每個(gè)線程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計(jì)算處理、編碼、發(fā)送響應(yīng)。）

Java NIO的服務(wù)端只需啟動(dòng)一個(gè)專門的線程來(lái)處理所有的 IO 事件，這種通信模型是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？呵呵，我們一起來(lái)探究它的奧秘吧。java NIO采用了雙向通道（channel）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不是單向的流（stream），在通道上可以注冊(cè)我們感興趣的事件。一共有以下四種事件：

事件名	對(duì)應(yīng)值
服務(wù)端接收客戶端連接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客戶端連接服務(wù)端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
讀事件	SelectionKey.OP_READ(1)
寫事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

?	?
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服務(wù)端和客戶端各自維護(hù)一個(gè)管理通道的對(duì)象，我們稱之為selector，該對(duì)象能檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)通道 (channel) 上的事件。我們以服務(wù)端為例，如果服務(wù)端的selector上注冊(cè)了讀事件，某時(shí)刻客戶端給服務(wù)端發(fā)送了一些數(shù)據(jù)，阻塞I/O這時(shí)會(huì)調(diào)用read()方法阻塞地讀取數(shù)據(jù)，而NIO的服務(wù)端會(huì)在selector中添加一個(gè)讀事件。服務(wù)端的處理線程會(huì)輪詢地訪問(wèn)selector，如果訪問(wèn)selector時(shí)發(fā)現(xiàn)有感興趣的事件到達(dá)，則處理這些事件，如果沒(méi)有感興趣的事件到達(dá)，則處理線程會(huì)一直阻塞直到感興趣的事件到達(dá)為止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意圖：

二．java NIO服務(wù)端和客戶端代碼實(shí)現(xiàn)?

為了更好地理解java NIO,下面貼出服務(wù)端和客戶端的簡(jiǎn)單代碼實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)端：

Java代碼??

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服務(wù)端?

?*?@author?小路?

?*/??

public?class?NIOServer?{??

????//通道管理器??

????private?Selector?selector;??

????/**?

?????*?獲得一個(gè)ServerSocket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作?

?????*?@param?port??綁定的端口號(hào)?

?????*?@throws?IOException?

?????*/??

????public?void?initServer(int?port)?throws?IOException?{??

????????//?獲得一個(gè)ServerSocket通道??

????????ServerSocketChannel?serverChannel?=?ServerSocketChannel.open();??

????????//?設(shè)置通道為非阻塞??

????????serverChannel.configureBlocking(false);??

????????//?將該通道對(duì)應(yīng)的ServerSocket綁定到port端口??

????????serverChannel.socket().bind(new?InetSocketAddress(port));??

????????//?獲得一個(gè)通道管理器??

????????this.selector?=?Selector.open();??

????????//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注冊(cè)該事件后，??

????????//當(dāng)該事件到達(dá)時(shí)，selector.select()會(huì)返回，如果該事件沒(méi)到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。??

????????serverChannel.register(selector,?SelectionKey.OP_ACCEPT);??

????}??

????/**?

?????*?采用輪詢的方式監(jiān)聽(tīng)selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理?

?????*?@throws?IOException?

?????*/??

????@SuppressWarnings("unchecked")??

????public?void?listen()?throws?IOException?{??

????????System.out.println("服務(wù)端啟動(dòng)成功！");??

????????//?輪詢?cè)L問(wèn)selector??

????????while?(true)?{??

????????????//當(dāng)注冊(cè)的事件到達(dá)時(shí)，方法返回；否則,該方法會(huì)一直阻塞??

????????????selector.select();??

????????????//?獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器，選中的項(xiàng)為注冊(cè)的事件??

????????????Iterator?ite?=?this.selector.selectedKeys().iterator();??

????????????while?(ite.hasNext())?{??

????????????????SelectionKey?key?=?(SelectionKey)?ite.next();??

????????????????//?刪除已選的key,以防重復(fù)處理??

????????????????ite.remove();??

????????????????//?客戶端請(qǐng)求連接事件??

????????????????if?(key.isAcceptable())?{??

????????????????????ServerSocketChannel?server?=?(ServerSocketChannel)?key??

????????????????????????????.channel();??

????????????????????//?獲得和客戶端連接的通道??

????????????????????SocketChannel?channel?=?server.accept();??

????????????????????//?設(shè)置成非阻塞??

????????????????????channel.configureBlocking(false);??

????????????????????//在這里可以給客戶端發(fā)送信息哦??

????????????????????channel.write(ByteBuffer.wrap(new?String("向客戶端發(fā)送了一條信息").getBytes()));??

????????????????????//在和客戶端連接成功之后，為了可以接收到客戶端的信息，需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。??

????????????????????channel.register(this.selector,?SelectionKey.OP_READ);??

??????????????????????

????????????????????//?獲得了可讀的事件??

????????????????}?else?if?(key.isReadable())?{??

????????????????????????read(key);??

????????????????}??

????????????}??

????????}??

????}??

????/**?

?????*?處理讀取客戶端發(fā)來(lái)的信息?的事件?

?????*?@param?key?

?????*?@throws?IOException??

?????*/??

????public?void?read(SelectionKey?key)?throws?IOException{??

????????//?服務(wù)器可讀取消息:得到事件發(fā)生的Socket通道??

????????SocketChannel?channel?=?(SocketChannel)?key.channel();??

????????//?創(chuàng)建讀取的緩沖區(qū)??

????????ByteBuffer?buffer?=?ByteBuffer.allocate(10);??

????????channel.read(buffer);??

????????byte[]?data?=?buffer.array();??

????????String?msg?=?new?String(data).trim();??

????????System.out.println("服務(wù)端收到信息："+msg);??

????????ByteBuffer?outBuffer?=?ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());??

????????channel.write(outBuffer);//?將消息回送給客戶端??

????}??

??????

????/**?

?????*?啟動(dòng)服務(wù)端測(cè)試?

?????*?@throws?IOException??

?????*/??

????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{??

????????NIOServer?server?=?new?NIOServer();??

????????server.initServer(8000);??

????????server.listen();??

????}??

}??

客戶端：

Java代碼??

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客戶端?

?*?@author?小路?

?*/??

public?class?NIOClient?{??

????//通道管理器??

????private?Selector?selector;??

????/**?

?????*?獲得一個(gè)Socket通道，并對(duì)該通道做一些初始化的工作?

?????*?@param?ip?連接的服務(wù)器的ip?

?????*?@param?port??連接的服務(wù)器的端口號(hào)??????????

?????*?@throws?IOException?

?????*/??

????public?void?initClient(String?ip,int?port)?throws?IOException?{??

????????//?獲得一個(gè)Socket通道??

????????SocketChannel?channel?=?SocketChannel.open();??

????????//?設(shè)置通道為非阻塞??

????????channel.configureBlocking(false);??

????????//?獲得一個(gè)通道管理器??

????????this.selector?=?Selector.open();??

??????????

????????//?客戶端連接服務(wù)器,其實(shí)方法執(zhí)行并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)連接，需要在listen（）方法中調(diào)??

????????//用channel.finishConnect();才能完成連接??

????????channel.connect(new?InetSocketAddress(ip,port));??

????????//將通道管理器和該通道綁定，并為該通道注冊(cè)SelectionKey.OP_CONNECT事件。??

????????channel.register(selector,?SelectionKey.OP_CONNECT);??

????}??

????/**?

?????*?采用輪詢的方式監(jiān)聽(tīng)selector上是否有需要處理的事件，如果有，則進(jìn)行處理?

?????*?@throws?IOException?

?????*/??

????@SuppressWarnings("unchecked")??

????public?void?listen()?throws?IOException?{??

????????//?輪詢?cè)L問(wèn)selector??

????????while?(true)?{??

????????????selector.select();??

????????????//?獲得selector中選中的項(xiàng)的迭代器??

????????????Iterator?ite?=?this.selector.selectedKeys().iterator();??

????????????while?(ite.hasNext())?{??

????????????????SelectionKey?key?=?(SelectionKey)?ite.next();??

????????????????//?刪除已選的key,以防重復(fù)處理??

????????????????ite.remove();??

????????????????//?連接事件發(fā)生??

????????????????if?(key.isConnectable())?{??

????????????????????SocketChannel?channel?=?(SocketChannel)?key??

????????????????????????????.channel();??

????????????????????//?如果正在連接，則完成連接??

????????????????????if(channel.isConnectionPending()){??

????????????????????????channel.finishConnect();??

??????????????????????????

????????????????????}??

????????????????????//?設(shè)置成非阻塞??

????????????????????channel.configureBlocking(false);??

????????????????????//在這里可以給服務(wù)端發(fā)送信息哦??

????????????????????channel.write(ByteBuffer.wrap(new?String("向服務(wù)端發(fā)送了一條信息").getBytes()));??

????????????????????//在和服務(wù)端連接成功之后，為了可以接收到服務(wù)端的信息，需要給通道設(shè)置讀的權(quán)限。??

????????????????????channel.register(this.selector,?SelectionKey.OP_READ);??

??????????????????????

????????????????????//?獲得了可讀的事件??

????????????????}?else?if?(key.isReadable())?{??

????????????????????????read(key);??

????????????????}??

????????????}??

????????}??

????}??

????/**?

?????*?處理讀取服務(wù)端發(fā)來(lái)的信息?的事件?

?????*?@param?key?

?????*?@throws?IOException??

?????*/??

????public?void?read(SelectionKey?key)?throws?IOException{??

????????//和服務(wù)端的read方法一樣??

????}??

??????

????/**?

?????*?啟動(dòng)客戶端測(cè)試?

?????*?@throws?IOException??

?????*/??

????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{??

????????NIOClient?client?=?new?NIOClient();??

????????client.initClient("localhost",8000);??

????????client.listen();??

????}??

}??

小結(jié)：?

終于把動(dòng)態(tài)代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC機(jī)制源碼了，博客地址：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898?。不過(guò)如果對(duì)java NIO的理解存在異議的，歡迎一起討論。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java NIO原理图文分析及代码实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。

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