Java NIO工作原理及经典示例代码

在传统的架构中,对于客户端的每一次请求,服务器都会创建一个新的线程或者利用线程池复用去处理用户的一个请求,然后返回给用户结果,这样做在高并发的情况下会存在非常严重的性能问题:对于用户的每一次请求都创建一个新的线程是需要一定内存的,同时线程之间频繁的上下文切换也是一个很大的开销。

NIO与IO的区别

I/O 是阻塞式I/O,主要问题是系统资源的浪费。比如我们为了读取一个TCP连接的数据,调用 InputStream 的 read() 方法,这会使当前线程被挂起,直到有数据到达才被唤醒,那该线程在数据到达这段时间内,占用着内存资源(存储线程栈)却无所作为,为了读取其他连接的数据,我们不得不启动另外的线程。在并发连接数量不多的时候,这可能没什么问题,然而当连接数量达到一定规模,内存资源会被大量线程消耗殆尽。另一方面,线程切换需要更改处理器的状态,比如程序计数器、寄存器的值,因此非常频繁的在大量线程之间切换,同样是一种资源浪费。

随着技术的发展,现代操作系统提供了新的I/O机制,可以避免这种资源浪费。基于此,诞生了Java NIO,NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。紧接着我们发现,简单的使用非阻塞I/O并不能解决问题,因为在非阻塞模式下,read()方法在没有读取到数据时就会立即返回,不知道数据何时到达的我们,只能不停的调用read()方法进行重试,这显然太浪费CPU资源了,Selector组件正是为解决此问题而生。

NIO中有几个比较关键的概念:Channel(通道),Buffer(缓冲区),Selector(选择器)。

Channel(通道)

Channel是一个对象,可以通过它读取和写入数据。拿 NIO 与原来的 I/O 做个比较,通道就像是流,而且他们面向缓冲区的。通道与流的不同之处在于通道是双向的。而流只是在一个方向上移动(一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类), 而 通道 可以用于读、写或者同时用于读写。因为它们是双向的,所以通道可以比流更好地反映底层操作系统的真实情况。特别是在 UNIX 模型中,底层操作系统通道是双向的。

Buffer(缓冲区)

Buffer(缓冲区)实际上是一个容器,是一个连续数组。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。

客户端发送数据时,必须先将数据存入Buffer中,然后将Buffer中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中,然后再从Buffer中取出数据来处理。

Selector(选择器)

通道和缓冲区的机制,使得线程无需阻塞地等待IO事件的就绪,但是总是要有人来监管这些IO事件。这个工作就交给了selector来完成,这就是所谓的同步。Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接(通道),但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。

要使用Selector,得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪,这就是所说的轮询。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件。

JAVA NIO实例

使用NIO的基本C/S示例:

实现一个简单的C/S,客户端向服务器端发送消息,服务器将收到的消息打印到控制台,并将该消息返回给客户端,客户端再打印到控制台。现实的应用中需要定义发送数据使用的协议,以帮助服务器解析消息.本示例只是无差别的使用默认编码将收到的字节转换字符并打印。ByteBuffer的容量越小,对一条消息的处理次数就越多,容量大就可以在更少的循环次数内读完整个消息.所以真是的应用场景,要考虑适当的缓存大小以提高效率。

总结:

Java NIO有以下几个好处:

事件驱动模型

避免多线程

单线程处理多任务

非阻塞I/O,I/O读写不再阻塞,而是返回0

基于block的传输,通常比基于流的传输更高效

更高级的IO函数,zero-copy

IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性

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  • 原文链接:http://kuaibao.qq.com/s/20180502A1F1F500?refer=cp_1026
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