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Java NIO使用及原理分析 (四)

在上一篇文章中介绍了关于缓冲区的一些细节内容,现在终于可以进入NIO中最有意思的部分非阻塞I/O。通常在进行同步I/O操作时,如果读取数据,代码会阻塞直至有 可供读取的数据。同样,写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR(Thread per Request),服务器会为每个客户端请求建立一个线程,由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增,大量的线程会增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题,都采用了线程池模型,并设置线程池线程的最大数量,这由带来了新的问题,如果线程池中有200个线程,而有200个用户都在进行大文件下载,会导致第201个用户的请求无法及时处理,即便第201个用户只想请求一个几KB大小的页面。传统的 Server/Client模式如下图所示:

NIO中非阻塞I/O采用了基于Reactor模式的工作方式,I/O调用不会被阻塞,相反是注册感兴趣的特定I/O事件,如可读数据到达,新的套接字连接等等,在发生特定事件时,系统再通知我们。NIO中实现非阻塞I/O的核心对象就是Selector,Selector就是注册各种I/O事件地 方,而且当那些事件发生时,就是这个对象告诉我们所发生的事件,如下图所示:

从图中可以看出,当有读或写等任何注册的事件发生时,可以从Selector中获得相应的SelectionKey,同时从 SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel,以获得客户端发送过来的数据。关于 SelectableChannel的可以参考Java NIO使用及原理分析(一)

使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序,大体上可以分为下面三个步骤:

1. 向Selector对象注册感兴趣的事件 2. 从Selector中获取感兴趣的事件 3. 根据不同的事件进行相应的处理

接下来我们用一个简单的示例来说明整个过程。首先是向Selector对象注册感兴趣的事件:

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 注册事件
  3. * */
  4. protected Selector getSelector() throws IOException {
  5. // 创建Selector对象
  6. Selector sel = Selector.open();
  7. // 创建可选择通道,并配置为非阻塞模式
  8. ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
  9. server.configureBlocking(false);
  10. // 绑定通道到指定端口
  11. ServerSocket socket = server.socket();
  12. InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
  13. socket.bind(address);
  14. // 向Selector中注册感兴趣的事件
  15. server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  16. return sel;
  17. }

创建了ServerSocketChannel对象,并调用configureBlocking()方法,配置为非阻塞模式,接下来的三行代码把该通道绑定到指定端口,最后向Selector中注册事件,此处指定的是参数是OP_ACCEPT,即指定我们想要监听accept事件,也就是新的连接发 生时所产生的事件,对于ServerSocketChannel通道来说,我们唯一可以指定的参数就是OP_ACCEPT。

从Selector中获取感兴趣的事件,即开始监听,进入内部循环:

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 开始监听
  3. * */
  4. public void listen() {
  5. System.out.println("listen on " + port);
  6. try {
  7. while(true) {
  8. // 该调用会阻塞,直到至少有一个事件发生
  9. selector.select();
  10. Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
  11. Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
  12. while (iter.hasNext()) {
  13. SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();
  14. iter.remove();
  15. process(key);
  16. }
  17. }
  18. } catch (IOException e) {
  19. e.printStackTrace();
  20. }
  21. }

在非阻塞I/O中,内部循环模式基本都是遵循这种方式。首先调用select()方法,该方法会阻塞,直到至少有一个事件发生,然后再使用selectedKeys()方法获取发生事件的SelectionKey,再使用迭代器进行循环。

最后一步就是根据不同的事件,编写相应的处理代码:

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 根据不同的事件做处理
  3. * */
  4. protected void process(SelectionKey key) throws IOException{
  5. // 接收请求
  6. if (key.isAcceptable()) {
  7. ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
  8. SocketChannel channel = server.accept();
  9. channel.configureBlocking(false);
  10. channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  11. }
  12. // 读信息
  13. else if (key.isReadable()) {
  14. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  15. int count = channel.read(buffer);
  16. if (count > 0) {
  17. buffer.flip();
  18. CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);
  19. name = charBuffer.toString();
  20. SelectionKey sKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
  21. sKey.attach(name);
  22. } else {
  23. channel.close();
  24. }
  25. buffer.clear();
  26. }
  27. // 写事件
  28. else if (key.isWritable()) {
  29. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  30. String name = (String) key.attachment();
  31. ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));
  32. if(block != null)
  33. {
  34. channel.write(block);
  35. }
  36. else
  37. {
  38. channel.close();
  39. }
  40. }
  41. }

此处分别判断是接受请求、读数据还是写事件,分别作不同的处理。

到这里关于Java NIO使用及原理分析的四篇文章就全部完成了。java NIO提供了通道、缓冲区、选择器这样一组抽象概念,极大的简化了我们编写高性能并发型服务器程序,后面有机会我会继续谈谈使用Java NIO的一些想法。

本文分享自微信公众号 - Java程序员那些事(zgsoft44),作者:Java程序员那些事

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原始发表时间:2019-09-23

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