Java NIO的介紹及工作原理
針對(duì)傳統(tǒng)I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（緩沖區(qū)）、Channel（通道）、Selector（選擇器）的新模式；Selector（選擇器）、可選擇的Channel（通道）和SelectionKey（選擇鍵）配合起來使用，可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)的非阻塞型I/O 能力。
NIO 工具包的成員
Buffer（緩沖器）
Buffer 類是一個(gè)抽象類，它有7 個(gè)子類分別對(duì)應(yīng)于七種基本的數(shù)據(jù)類型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一個(gè)Buffer對(duì)象相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)容器，可以把它看作內(nèi)存中的一個(gè)大的數(shù)組，用來存儲(chǔ)和提取所有基本類型(boolean 型除外)的數(shù)據(jù)。Buffer 類的核心是一塊內(nèi)存區(qū)，可以直接對(duì)其執(zhí)行與內(nèi)存有關(guān)的操作，利用操作系統(tǒng)特性和能力提高和改善Java 傳統(tǒng)I/O 的性能。
Channel（通道）
Channel 被認(rèn)為是NIO 工具包的一大創(chuàng)新點(diǎn)，是(Buffer)緩沖器和I/O 服務(wù)之間的通道，具有雙向性，既可以讀入也可以寫出，可以更高效的傳遞數(shù)據(jù)。我們這里主要討論ServerSocketChannel 和SocketChannel，它們都繼承了SelectableChannel，是可選擇的通道，分別可以工作在同步和異步兩種方式下（這里的可選擇不是指可以選擇兩種工作方式，而是指可以有選擇的注冊自己感興趣的事件）。當(dāng)通道工作在同步方式時(shí)，它的功能和編程方法與傳統(tǒng)的ServerSocket、Socket 對(duì)象相似；當(dāng)通道工作在異步工作方式時(shí)，進(jìn)行輸入輸出處理不必等到輸入輸出完畢才返回，并且可以將其感興趣的（如：接受操作、連接操作、讀出操作、寫入操作）事件注冊到Selector 對(duì)象上，與Selector 對(duì)象協(xié)同工作可以更有效率的支持和管理并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)套接字連接。
Selector（選擇器）和SelectionKey（選擇鍵）
各類 Buffer 是數(shù)據(jù)的容器對(duì)象；各類Channel 實(shí)現(xiàn)在各類Buffer 與各類I/O 服務(wù)間傳輸數(shù)據(jù)。Selector 是實(shí)現(xiàn)并發(fā)型非阻塞I/O 的核心，各種可選擇的通道將其感興趣的事件注冊到Selector 對(duì)象上，Selector 在一個(gè)循環(huán)中不斷輪循監(jiān)視這各些注冊在其上的Socket 通道。SelectionKey 類則封裝了SelectableChannel 對(duì)象在Selector 中的注冊信息。當(dāng)Selector 監(jiān)測到在某個(gè)注冊的SelectableChannel 上發(fā)生了感興趣的事件時(shí),自動(dòng)激活產(chǎn)生一個(gè)SelectionKey對(duì)象,在這個(gè)對(duì)象中記錄了哪一個(gè)SelectableChannel 上發(fā)生了哪種事件，通過對(duì)被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每個(gè)SelectableChannel 發(fā)生的具體事件類型,進(jìn)行相應(yīng)的處理。
NIO 工作原理
通過上面的討論，我們可以看出在并發(fā)型服務(wù)器程序中使用NIO，實(shí)際上是通過網(wǎng)絡(luò)事件驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)的。我們應(yīng)用Select 機(jī)制，不用為每一個(gè)客戶端連接新啟線程處理，而是將其注冊到特定的Selector 對(duì)象上，這就可以在單線程中利用Selector 對(duì)象管理大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接，更好的利用了系統(tǒng)資源；采用非阻塞I/O 的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，從而減少了管理I/O 連接導(dǎo)致的系統(tǒng)開銷，大幅度提高了系統(tǒng)性能。
當(dāng)有讀或?qū)懙热魏巫缘氖录l(fā)生時(shí)，可以從Selector 中獲得相應(yīng)的SelectionKey ， 從SelectionKey 中可以找到發(fā)生的事件和該事件所發(fā)生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。由于在非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 中采用了事件觸發(fā)機(jī)制，處理程序可以得到系統(tǒng)的主動(dòng)通知，從而可以實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)I/O 無阻塞、流暢地讀寫，而不像在原來的阻塞模式下處理程序需要不斷循環(huán)等待。使用NIO，可以編寫出性能更好、更易擴(kuò)展的并發(fā)型服務(wù)器程序。
并發(fā)型服務(wù)器程序的實(shí)現(xiàn)代碼
應(yīng)用 NIO 工具包，基于非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 設(shè)計(jì)的并發(fā)型服務(wù)器程序與以往基于阻塞I/O 的實(shí)現(xiàn)程序有很大不同，在使用非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 的情況下，程序讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)不是由程序員控制的，而是Selector 決定的。下面便給出基于非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 的并發(fā)型服務(wù)器程序的核心代碼片段：
- import java.io.*； //引入Java.io包
- import java.net.*； //引入Java.net包
- import java.nio.channels.*； //引入Java.nio.channels包
- import java.util.*； //引入Java.util包
- public class TestServer implements Runnable
- {
- /**
- * 服務(wù)器Channel對(duì)象，負(fù)責(zé)接受用戶連接
- */
- private ServerSocketChannel server；
- /**
- * Selector對(duì)象，負(fù)責(zé)監(jiān)控所有的連接到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)事件的發(fā)生
- */
- private Selector selector；
- /**
- * 總的活動(dòng)連接數(shù)
- */
- private int activeSockets；
- /**
- * 服務(wù)器Channel綁定的端口號(hào)
- */
- private int port ；
- /**
- *
- * 構(gòu)造函數(shù)
- */
- public TestServer()throws IOException
- {
- activeSockets=0；
- port=9999；//初始化服務(wù)器Channel綁定的端口號(hào)為9999
- selector= Selector.open()；//初始化Selector對(duì)象
- server=ServerSocketChannel.open()；//初始化服務(wù)器Channel對(duì)象
- ServerSocket socket=server.socket()；//獲取服務(wù)器Channel對(duì)應(yīng)的//ServerSocket對(duì)象
- socket.bind(new InetSocketAddress(port))；//把Socket綁定到監(jiān)聽端口9999上
- server.configureBlocking(false)；//將服務(wù)器Channel設(shè)置為非阻塞模式
- server.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT)；//將服務(wù)器Channel注冊到
- Selector對(duì)象，并指出服務(wù)器Channel所感興趣的事件為可接受請求操作
- }
- public void run()
- {
- while(true)
- {
- try
- {
- /**
- *應(yīng)用Select機(jī)制輪循是否有用戶感興趣的新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，當(dāng)沒有
- * 新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，此方法會(huì)阻塞，直到有新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生為止
- */
- selector.select()；
- }
- catch(IOException e)
- {
- continue；//當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)操作
- }
- /**
- * 得到活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)連接選擇鍵的集合
- */
- Set<SelectionKey> keys=selector.selectedKeys()；
- activeSockets=keys.size()；//獲取活動(dòng)連接的數(shù)目
- if(activeSockets==0)
- {
- continue；//如果連接數(shù)為0，則繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)操作
- }
- /**
- /**
- * 應(yīng)用For—Each循環(huán)遍歷整個(gè)選擇鍵集合
- */
- for(SelectionKey key :keys)
- {
- /**
- * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)是為可接受，則接受連接，注冊通道，以接受更多的*
- 事件，進(jìn)行相關(guān)的服務(wù)器程序處理
- */
- if(key.isAcceptable())
- {
- doServerSocketEvent(key)；
- continue；
- }
- /**
- * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)為可讀，則說明Channel是一個(gè)客戶端的連接通道，
- * 進(jìn)行相應(yīng)的讀取客戶端數(shù)據(jù)的操作
- */
- if(key.isReadable())
- {
- doClientReadEvent(key)；
- continue；
- }
- /**
- * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)為可寫，則也說明Channel是一個(gè)客戶端的連接通道，
- * 進(jìn)行相應(yīng)的向客戶端寫數(shù)據(jù)的操作
- */
- if(key.isWritable())
- {
- doClinetWriteEvent(key)；
- continue；
- }
- }
- }
- }
- /**
- * 處理服務(wù)器事件操作
- * @param key 服務(wù)器選擇鍵對(duì)象
- */
- private void doServerSocketEvent(SelectionKey key)
- {
- SocketChannel client=null；
- try
- {
- ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel)key.channel()；
- client=server.accept()；
- if(client==null)
- {
- return；
- }
- client.configureBlocking(false)；//將客戶端Channel設(shè)置為非阻塞型
- /**
- /**
- * 將客戶端Channel注冊到Selector對(duì)象上，并且指出客戶端Channel所感
- * 興趣的事件為可讀和可寫
- */
- client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ)；
- }catch(IOException e)
- {
- try
- {
- client.close()；
- }catch(IOException e1){}
- }
- }
- /**
- * 進(jìn)行向客戶端寫數(shù)據(jù)操作
- * @param key 客戶端選擇鍵對(duì)象
- */
- private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key)
- {
- 代碼實(shí)現(xiàn)略；
- }
- /**
- * 進(jìn)行讀取客戶短數(shù)據(jù)操作
- * @param key 客戶端選擇鍵對(duì)象
- */
- private void doClientReadEvent(SelectionKey key)
- {
- 代碼實(shí)現(xiàn)略；
- }
- }
從上面對(duì)代碼可以看出，使用非阻塞性I/O進(jìn)行并發(fā)型服務(wù)器程序設(shè)計(jì)分三個(gè)部分：1.向Selector對(duì)象注冊感興趣的事件；2.從Selector中獲取所感興趣的事件；3.根據(jù)不同的事件進(jìn)行相應(yīng)的處理。
結(jié) 語
通過使用NIO 工具包進(jìn)行并發(fā)型服務(wù)器程序設(shè)計(jì)，一個(gè)或者很少幾個(gè)Socket 線程就可以處理成千上萬個(gè)活動(dòng)的Socket 連接，大大降低了服務(wù)器端程序的開銷；同時(shí)網(wǎng)絡(luò)I/O 采取非阻塞模式，線程不再在讀或?qū)憰r(shí)阻塞，操作系統(tǒng)可以更流暢的讀寫數(shù)據(jù)并可以更有效地向CPU 傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便更有效地提高系統(tǒng)的性能。
原文鏈接：http://futureinhands.iteye.com/blog/953576
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