Java NIO使用及原理分析 (四)

  • 2019 年 10 月 7 日
  • 筆記

在上一篇文章中介紹了關於緩衝區的一些細節內容，現在終於可以進入NIO中最有意思的部分非阻塞I/O。通常在進行同步I/O操作時，如果讀取數據，程式碼會阻塞直至有 可供讀取的數據。同樣，寫入調用將會阻塞直至數據能夠寫入。傳統的Server/Client模式會基於TPR（Thread per Request）,伺服器會為每個客戶端請求建立一個執行緒，由該執行緒單獨負責處理一個客戶請求。這種模式帶來的一個問題就是執行緒數量的劇增，大量的執行緒會增大伺服器的開銷。大多數的實現為了避免這個問題，都採用了執行緒池模型，並設置執行緒池執行緒的最大數量，這由帶來了新的問題，如果執行緒池中有200個執行緒，而有200個用戶都在進行大文件下載，會導致第201個用戶的請求無法及時處理，即便第201個用戶只想請求一個幾KB大小的頁面。傳統的 Server/Client模式如下圖所示：

NIO中非阻塞I/O採用了基於Reactor模式的工作方式，I/O調用不會被阻塞，相反是註冊感興趣的特定I/O事件，如可讀數據到達，新的套接字連接等等，在發生特定事件時，系統再通知我們。NIO中實現非阻塞I/O的核心對象就是Selector，Selector就是註冊各種I/O事件地 方，而且當那些事件發生時，就是這個對象告訴我們所發生的事件，如下圖所示：

從圖中可以看出，當有讀或寫等任何註冊的事件發生時，可以從Selector中獲得相應的SelectionKey，同時從 SelectionKey中可以找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發送過來的數據。關於 SelectableChannel的可以參考Java NIO使用及原理分析（一）

使用NIO中非阻塞I/O編寫伺服器處理程式，大體上可以分為下面三個步驟：

1. 向Selector對象註冊感興趣的事件 2. 從Selector中獲取感興趣的事件 3. 根據不同的事件進行相應的處理

接下來我們用一個簡單的示例來說明整個過程。首先是向Selector對象註冊感興趣的事件：

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 註冊事件
  3. * */
  4. protected Selector getSelector() throws IOException {
  5. // 創建Selector對象
  6. Selector sel = Selector.open();
  8. // 創建可選擇通道，並配置為非阻塞模式
  9. ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
  10. server.configureBlocking(false);
  12. // 綁定通道到指定埠
  13. ServerSocket socket = server.socket();
  14. InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
  15. socket.bind(address);
  17. // 向Selector中註冊感興趣的事件
  18. server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  19. return sel;
  20. }

創建了ServerSocketChannel對象，並調用configureBlocking()方法，配置為非阻塞模式，接下來的三行程式碼把該通道綁定到指定埠，最後向Selector中註冊事件，此處指定的是參數是OP_ACCEPT，即指定我們想要監聽accept事件，也就是新的連接發 生時所產生的事件，對於ServerSocketChannel通道來說，我們唯一可以指定的參數就是OP_ACCEPT。

從Selector中獲取感興趣的事件，即開始監聽，進入內部循環：

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 開始監聽
  3. * */
  4. public void listen() {
  5. System.out.println("listen on " + port);
  6. try {
  7. while(true) {
  8. // 該調用會阻塞，直到至少有一個事件發生
  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，內部循環模式基本都是遵循這種方式。首先調用select()方法，該方法會阻塞，直到至少有一個事件發生，然後再使用selectedKeys()方法獲取發生事件的SelectionKey，再使用迭代器進行循環。

最後一步就是根據不同的事件，編寫相應的處理程式碼：

[java] view plain copy print?

  1. /*
  2. * 根據不同的事件做處理
  3. * */
  4. protected void process(SelectionKey key) throws IOException{
  5. // 接收請求
  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. // 讀資訊
  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. // 寫事件
  28. else if (key.isWritable()) {
  29. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  30. String name = (String) key.attachment();
  32. ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));
  33. if(block != null)
  34. {
  35. channel.write(block);
  36. }
  37. else
  38. {
  39. channel.close();
  40. }
  42. }
  43. }

此處分別判斷是接受請求、讀數據還是寫事件，分別作不同的處理。

到這裡關於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、緩衝區、選擇器這樣一組抽象概念，極大的簡化了我們編寫高性能並髮型伺服器程式，後面有機會我會繼續談談使用Java NIO的一些想法。

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