NIO基礎詳解
- 2019 年 10 月 5 日
- 筆記
Netty 是基於Java NIO 封裝的網絡通訊框架，只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底層設計。Java NIO 由三個核心組件組件：
- Buffer
- Channel
- Selector
緩衝區 Buffer
Buffer 是一個數據對象，我們可以把它理解為固定數量的數據的容器，它包含一些要寫入或者讀出的數據。
在 Java NIO 中，任何時候訪問 NIO 中的數據，都需要通過緩衝區（Buffer）進行操作。讀取數據時，直接從緩衝區中讀取，寫入數據時，寫入至緩衝區。NIO 最常用的緩衝區則是 ByteBuffer。下圖是 Buffer 繼承關係圖：
每一個 Java 基本類型都對應着一種 Buffer，他們都包含這相同的操作，只不過是所處理的數據類型不同而已。
通道 Channel
Channel 是一個通道，它就像自來水管一樣，網絡數據通過 Channel 這根水管讀取和寫入。傳統的 IO 是基於流進行操作的，Channle 和類似，但又有些不同：
|
區別 |
流 |
通過Channel |
|---|---|---|
|
支持異步 |
不支持 |
支持 |
|
是否可雙向傳輸數據 |
不能，只能單向 |
可以，既可以從通道讀取數據，也可以向通道寫入數據 |
|
是否結合 Buffer 使用 |
不 |
必須結合 Buffer 使用 |
|
性能 |
較低 |
較高 |
正如上面說到的，Channel 必須要配合 Buffer 一起使用，我們永遠不可能將數據直接寫入到 Channel 中，同樣也不可能直接從 Channel 中讀取數據。都是通過從 Channel 讀取數據到 Buffer 中或者從 Buffer 寫入數據到 Channel 中，如下：
簡單點說，Channel 是數據的源頭或者數據的目的地，用於向 buffer 提供數據或者讀取 buffer 數據，並且對 I/O 提供異步支持。
下圖是 Channel 的類圖（http://blog.csdn.net/tsyj810883979/article/details/6876594）
Channel 為最頂層接口，所有子 Channel 都實現了該接口，它主要用於 I/O 操作的連接。定義如下：
public interface Channel extends Closeable { /** * 判斷此通道是否處於打開狀態。 */ public boolean isOpen(); /** *關閉此通道。 */ public void close() throws IOException; }
最為重要的Channel實現類為：
- FileChannel：一個用來寫、讀、映射和操作文件的通道
- DatagramChannel：能通過 UDP 讀寫網絡中的數據
- SocketChannel: 能通過 TCP 讀寫網絡中的數據
- ServerSocketChannel：可以監聽新進來的 TCP 連接，像 Web 服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創建一個 SocketChannel
多路復用器 Selector
多路復用器 Selector，它是 Java NIO 編程的基礎，它提供了選擇已經就緒的任務的能力。從底層來看，Selector 提供了詢問通道是否已經準備好執行每個 I/O 操作的能力。簡單來講，Selector 會不斷地輪詢註冊在其上的 Channel，如果某個 Channel 上面發生了讀或者寫事件，這個 Channel 就處於就緒狀態，會被 Selector 輪詢出來，然後通過 SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合，進行後續的 I/O 操作。
Selector 允許一個線程處理多個 Channel ，也就是說只要一個線程複雜 Selector 的輪詢，就可以處理成千上萬個 Channel ，相比於多線程來處理勢必會減少線程的上下文切換問題。下圖是一個 Selector 連接三個 Channel ：
實例
服務端
public class NIOServer { /*接受數據緩衝區*/ private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*發送數據緩衝區*/ private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); private Selector selector; public NIOServer(int port) throws IOException { // 打開服務器套接字通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 服務器配置為非阻塞 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 檢索與此通道關聯的服務器套接字 ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket(); // 進行服務的綁定 serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port)); // 通過open()方法找到Selector selector = Selector.open(); // 註冊到selector，等待連接 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server Start----:"); } // private void listen() throws IOException { while (true) { selector.select(); Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); iterator.remove(); handleKey(selectionKey); } } } private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException { // 接受請求 ServerSocketChannel server = null; SocketChannel client = null; String receiveText; String sendText; int count=0; // 測試此鍵的通道是否已準備好接受新的套接字連接。 if (selectionKey.isAcceptable()) { // 返回為之創建此鍵的通道。 server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel(); // 接受到此通道套接字的連接。 // 此方法返回的套接字通道（如果有）將處於阻塞模式。 client = server.accept(); // 配置為非阻塞 client.configureBlocking(false); // 註冊到selector，等待連接 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { // 返回為之創建此鍵的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //將緩衝區清空以備下次讀取 receivebuffer.clear(); //讀取服務器發送來的數據到緩衝區中 count = client.read(receivebuffer); if (count > 0) { receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("服務器端接受客戶端數據--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { //將緩衝區清空以備下次寫入 sendbuffer.clear(); // 返回為之創建此鍵的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText="message from server--"; //向緩衝區中輸入數據 sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //將緩衝區各標誌複位,因為向裏面put了數據標誌被改變要想從中讀取數據發向服務器,就要複位 sendbuffer.flip(); //輸出到通道 client.write(sendbuffer); System.out.println("服務器端向客戶端發送數據--："+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } /** * @param args * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { int port = 8080; NIOServer server = new NIOServer(port); server.listen(); } }
客戶端
public class NIOClient { /*接受數據緩衝區*/ private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*發送數據緩衝區*/ private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); public static void main(String[] args) throws IOException { // 打開socket通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 設置為非阻塞方式 socketChannel.configureBlocking(false); // 打開選擇器 Selector selector = Selector.open(); // 註冊連接服務端socket動作 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); // 連接 socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080)); Set<SelectionKey> selectionKeys; Iterator<SelectionKey> iterator; SelectionKey selectionKey; SocketChannel client; String receiveText; String sendText; int count=0; while (true) { //選擇一組鍵，其相應的通道已為 I/O 操作準備就緒。 //此方法執行處於阻塞模式的選擇操作。 selector.select(); //返回此選擇器的已選擇鍵集。 selectionKeys = selector.selectedKeys(); //System.out.println(selectionKeys.size()); iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { selectionKey = iterator.next(); if (selectionKey.isConnectable()) { System.out.println("client connect"); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 判斷此通道上是否正在進行連接操作。 // 完成套接字通道的連接過程。 if (client.isConnectionPending()) { client.finishConnect(); System.out.println("完成連接!"); sendbuffer.clear(); sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes()); sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); } client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //將緩衝區清空以備下次讀取 receivebuffer.clear(); //讀取服務器發送來的數據到緩衝區中 count=client.read(receivebuffer); if(count>0){ receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("客戶端接受服務器端數據--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { sendbuffer.clear(); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText = "message from client--"; sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //將緩衝區各標誌複位,因為向裏面put了數據標誌被改變要想從中讀取數據發向服務器,就要複位 sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); System.out.println("客戶端向服務器端發送數據--："+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } selectionKeys.clear(); } } }
運行結果
謝謝閱讀，祝好!!!
參考
- Java NIO 系列教程
- Netty 權威指南（第2版）
