JavaIO四大模型：NIO(IO多路复用)
2021/6/7 20:51:12
本文主要是介绍JavaIO四大模型：NIO(IO多路复用)，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！
文章目录
- 概述
- NIO涉及到的名词
- JavaNIO 服务端和客户端流程
概述
Java中的 Selector 和 Linux中的 epoll 都是基友IO多路复用的，有时也被称为异步阻塞IO。
我们之前介绍过，同步阻塞I/O和同步非阻塞IO。对于同步阻塞I/O来说，每次进行I/O时，我们的用户线程都会阻塞，显然这在高并发下效率很低。对于同步非阻塞I/O来说，每次进行I/O，虽然在内核缓冲区还没有数据的情况下，会给用户线程一个信息，此时用户线程是不阻塞的，但是用户线程会不停地发起IO系统调用，查看内核缓冲区是否已经有数据，这样虽然在内核缓冲区没有数据的情况下，用户线程不阻塞，但是不停地发起IO系统调用，会占用大量CPU空间，导致CPU使用率降低，如何避免用户线程不断地发起IO系统调用，这就是IO多路复用所解决的问题了。
IO多路复用模型，就是通过一种新的系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪(一般是内核缓冲区可读/可写)，内核能够通知程序进行相应的IO系统调用。
Java中实现IO多路复用的模型叫做NIO，与操作系统说的IO模型中的NIO是不同的。
Java实现IO多路复用的基本原理是：通过select/epoll系统调用，单个线程不断地轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接，当某个或某些socket网络有连接数据到达了，就返回这些可以读写的连接。好处就显而易见了，通过一个系统调用，就可以查询到可以读写的一个甚至多个网络连接。
NIO原理图：
在NIO这种IO模型下，首先不是进行read系统调用，而是进行select/epoll系统调用，这里有一个前提是，需要将目标连接提前注册到select/epoll的可查询的socket列表中，然后才可以开启整个IO的读流程。
进行select/epoll系统调用，查询可以读的连接，内核会查询所有select的可查询的socket列表，当任何一个socket的数据准备好了，select系统调用就会返回，
当用户进程调用了select，那么用户线程会被阻塞。也就是说，一个用户发起了select/epoll系统调用后，一直会被阻塞，直到有可读连接返回。
用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞，内核开始复制数据到用户进程缓冲区
当用户读取完数据后，用户线程返回。
和同步非阻塞IO相似，NIO也需要不停轮询。不过NIO轮询的select/epoll系统调用，且一个线程可以管理成百上千个连接。
NIO的优点在于：可以同时处理成千上万个连接。与一条线程维护一个连接相比，NIO最大优势在于系统不必创建线程，也不必维护这些线程，只需要把连接注册到select/epoll选择器上，然后让select选择器去监听是否有可读可写事件，如果有可读/可写事件，就返回当前可读/可写事件的sokcet连接，从而大大减少了系统的开销。
不过NIO也有缺点，它的缺点在于：select/epoll本质上是同步IO，也就是阻塞IO。都需要在读写就绪后，自己负责进行读写，也就是说，读写过程是阻塞的。
NIO涉及到的名词
Channel：通道类，类似于流。在NIO中，我们使用通道进行传输数据。我们既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道里。
Buffer：在Java NIO中的Buffer是用于和NIO通道进行交互。即数据是从通道中读取到buffer缓冲区中，从buffer写到通道中的。
缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后从中读取数据的内存，这块内存被封装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。
使用Buffer读写数据一般遵循以下四步：
- 写入数据到Buffer
- 调用flip()
- 从Buffer中读取数据
- 调用clear()或compact()
当向Buffer中写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()，来切换读写模式。
一旦读完了所有数据，就需要清空Buffer，让它可以再次被写入，有两种方法可以清空缓冲区：clear()和compact()。clear()清空整个缓冲区，而compact()清空已经读过的数据，还没有被读到的数据被移动到缓冲区的起始处，新写入的数据放到缓冲区中未读数据的后面。
Buffer的capacity、position、limit：
position和limit的含义，取决于Buffer处在读模式还是写模式
capacity：表示缓冲区的容量
position：当你写入数据到Buufer中时，position表示当前的位置。初始的position为0，当写入一个数据时，position会向前移动到下一个可写的位置。position最大为capacity-1。
当读数据时，从某个特定的位置开始读。将Buufer从写模式切换到读模式时，position会被重置为0，当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动至下一个可读的位置。
limit：在写模式下。limit表示你最多能往Buffer写多少数据，读模式下，limit等于capacity.
给Buffer指定大小的： 调用Buffer实现类的静态方法allocate()
Buffer中的put()，表示向Buffer中写数据，get()表示从Buffer中读数据。
Selector选择器：Selector选择器是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知道通道中是否有可读可写事件。这样一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。
Selector的创建：调用静态方法open()
为了实现一个Selector选择器关注多个通道上是否有可读、可写事件。所以我们需要将多个channel注册到selector选择器上：使用channel.register(Selector s, int a)。其中，第二个参数表示通过Selector选择监听时对哪些事件感兴趣。这些事件分别为：Connect：可连接、Accept：可接收、Read：可读、Write：可写。通道触发一个事件的意思是该事件已经就绪，这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：SelectionKey.OP_CONNECT、SelectionKey.OP_ACCEPT、SelectionKey.OP_READ、SelectionKey.OP_WRITE。
如果对不止一个事件感兴趣，可以使用"位或"操作符将常量连接起来。即SelectionKey.OP_READ | SelectKey.OP_WRITE。 既关注读事件，又关注写事件。
某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”，以个server socket channel 准备好接收 新进入的 连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。
SelectionKey：当向Selector注册Channel时，register()会返回一个SelectionKey对象。这些对象包含了一些属性：interest集合：感兴趣的时间的集合。 ready集合：已经准备就绪的时间集合。
通过Selector中的select()方法来选择通道：一旦向Selector选择器上注册了一个或多个通道，就可以调用重载的select()，这些方法返回所感兴趣的时间中已经准备就绪的事件的通道。举个例子就是说，如果你对“读事件” 感兴趣，调用select()，会返回读事件已经就绪的那些通道。
不同select()：
- int select()：阻塞，直到至少有一个通道中有就绪事件
- int select(long timeout)：阻塞timeout时间
- int selectNow()：不会阻塞，不管什么事件通道，直接返回。
SelectedKeys：一旦调用了select()后，并且返回值表明有事件就绪，就可以调用selector的selectedKeys()，访问这些已就绪通道中的事件类型。
JavaNIO 服务端和客户端流程
服务端：
- 实例化一个SeverSocketChannel的实例
- 绑定端口
- 设置为非阻塞
- 创建Selector的实例
- 将ServerSocketChannel注册到Selector上，关注OP_ACCEPT事件
- 调用Selector的select()方法，若返回值大于0，则表示关注的事件中有部分就绪
- 遍历就绪事件，找到自己感兴趣的事件
- 如果是可接收事件，连接客户端
- 如果是读事件，进行读操作，读完后，将channel又注册到selector上，关注写事件。
10.如果是可写事件，进行可写操作，写完后，又将channel注册到selector上，关注读事件。
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try{
// 创建ServerSocketChannel实例
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
System.out.println("服务器已启动...");
// 设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 创建Selector实例
Selector selector = Selector.open();
// 将该通道注册到Selector选择器上，关注可接受事件。
serverSocketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 通道上事件就绪了
while(selector.select() > 0){
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while(iterator.hasNext()){
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
// 如果事件是可接受的
if (key.isAcceptable()){
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel socketChannel = channel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
System.out.println("客户端：" + socketChannel.getRemoteAddress() + "与服务器连接成功");
// 将这个通道又注册到Selector上，关注读事件
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
// 如果就绪事件是可读事件
if (key.isReadable()){
System.out.println("服务器可读...");
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();
// 将数据读到buffer数组中
int read = socketChannel.read(readBuffer);
// 没有读到数据，说明没有数据可读，则关闭通道
if (read==-1){
socketChannel.close();
key.cancel();
continue;
}
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
// 将readBuffer数组中的数据存放到bytes数组中
readBuffer.get(bytes);
System.out.println("客户端：" + socketChannel.getRemoteAddress() + "发来的消息：" + new String(bytes,0,bytes.length));
readBuffer.clear();
// 接着关注写事件
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
}
// 如果是可写事件
if (key.isWritable()){
System.out.println("服务器可写...");
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
// 控制台写
System.out.print("给客户端发消息：");
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String s = bufferedReader.readLine();
//向Buffer数组中写
writeBuffer.put((s+"\n").getBytes());
writeBuffer.flip();
channel.write(writeBuffer);
writeBuffer.clear();
channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally{
if (serverSocketChannel!=null){
try {
serverSocketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
客户端流程：
- 实例化SocketChannel
- 调用connect绑定IP地址和端口号
- 设置为非阻塞
- 创建Selector实例
- connect()会返回一个boolean值，若已经连接则返回true。
- 若返回false，则将该SocketChannel实例注册到Selector上关注OP.CONNECT事件
- 遍历已经就绪的时间，若为可连接的事件，调用channel的finishConnect()完成连接
- 由于客户端的写操作是主动发起的，所以不用注册到Selector上。
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) {
SocketChannel socketChannel = null;
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
socketChannel = SocketChannel.open();
boolean connect = socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
System.out.println("客户端已启动...");
socketChannel.configureBlocking(false);
Selector selector = Selector.open();
// 没有连接成功
if (!connect){
// 关注可连接事件
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
while(selector.select()>0){
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while(iterator.hasNext()){
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
if (key.isConnectable()){
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
channel.finishConnect();
}
}
}
}
System.out.println("客户端： " + socketChannel.getRemoteAddress() + "与服务端连接成功...");
while(true){
// 向服务端发消息
System.out.print("给服务器发消息：");
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String s = bufferedReader.readLine();
if ("exit".equals(s) || "".equals(s)){
break;
}
buffer.put((s+"\n").getBytes());
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
//读操作
int read = socketChannel.read(buffer);
if (read == -1){
break;
}
buffer.flip();
byte [] bytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(bytes);
System.out.println("服务器响应的信息：" + new String(bytes,0,bytes.length));
buffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if (socketChannel!=null){
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
这篇关于JavaIO四大模型：NIO(IO多路复用)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对大家有所帮助，也希望大家多多支持为之网！
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