Java网络编程和NIO详解2：JAVA NIO一步步构建IO多路复用的请求模型

太过爱你忘了你带给我的痛 2021-12-16 02:51 160阅读 0赞

# Java网络编程与NIO详解2：JAVA NIO一步步构建IO多路复用的请求模型 #

## 知识点 ##

*  nio 下 I/O 阻塞与非阻塞实现
 *  SocketChannel 介绍
 *  I/O 多路复用的原理
 *  事件选择器与 SocketChannel 的关系
 *  事件监听类型
 *  字节缓冲 ByteBuffer 数据结构

## 场景 ##

接着上一篇中的站点访问问题，如果我们需要并发访问10个不同的网站，我们该如何处理？

在上一篇中，我们使用了`java.net.socket`类来实现了这样的需求，以一线程处理一连接的方式，并配以线程池的控制，貌似得到了当前的最优解。可是这里也存在一个问题，连接处理是同步的，也就是并发数量增大后，大量请求会在队列中等待，或直接异常抛出。

为解决这问题，我们发现元凶处在“一线程一请求”上，如果一个线程能同时处理多个请求，那么在高并发下性能上会大大改善。这里就借住 JAVA 中的 nio 技术来实现这一模型。

## nio 的阻塞实现 ##

关于什么是 nio，从字面上理解为 New IO，就是为了弥补原本 I/O 上的不足，而在 JDK 1.4 中引入的一种新的 I/O 实现方式。简单理解，就是它提供了 I/O 的阻塞与非阻塞的两种实现方式（*当然，默认实现方式是阻塞的。*）。

下面，我们先来看下 nio 以阻塞方式是如何处理的。

### 建立连接 ###

有了上一篇 socket 的经验，我们的第一步一定也是建立 socket 连接。只不过，这里不是采用 `new socket()` 的方式，而是引入了一个新的概念 `SocketChannel`。它可以看作是 socket 的一个完善类，除了提供 Socket 的相关功能外，还提供了许多其他特性，如后面要讲到的向选择器注册的功能。

类图如下：[![java-nio-01.jpg][]][java-nio-01.jpg 1]

建立连接代码实现：

// 初始化 socket，建立 socket 与 channel 的绑定关系
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 初始化远程连接地址 SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port); // I/O 处理设置阻塞，这也是默认的方式，可不设置 socketChannel.configureBlocking(true); // 建立连接 socketChannel.connect(remote);

### 获取 socket 连接 ###

因为是同样是 I/O 阻塞的实现，所以后面的关于 socket 输入输出流的处理，和上一篇的基本相同。唯一差别是，这里需要通过 channel 来获取 socket 连接。

*  获取 socket 连接

Socket socket = socketChannel.socket();

*  处理输入输出流

PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket()); BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());

### 完整示例 ###

package com.jason.network.mode.nio;  import com.jason.network.constant.HttpConstant; import com.jason.network.util.HttpUtil;  import java.io.*; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.Socket; import java.net.SocketAddress; import java.nio.channels.SocketChannel;  public class NioBlockingHttpClient {     private SocketChannel socketChannel;    private String host;     public static void main(String[] args) throws IOException {         for (String host: HttpConstant.HOSTS) {             NioBlockingHttpClient client = new NioBlockingHttpClient(host, HttpConstant.PORT);            client.request();        }    }     public NioBlockingHttpClient(String host, int port) throws IOException {        this.host = host;        socketChannel = SocketChannel.open();        socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);//设置最大超时时间        SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);        this.socketChannel.connect(remote);   }     public void request() throws IOException {        PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());        BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());         pw.write(HttpUtil.compositeRequest(host));        pw.flush();        String msg;        while ((msg = br.readLine()) != null){            System.out.println(msg);       }   }     private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {        OutputStream out = socket.getOutputStream();        return new PrintWriter(out);   }     private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {        InputStream in = socket.getInputStream();        return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));   } }

## nio 的非阻塞实现 ##

### 原理分析 ###

nio 的阻塞实现，基本与使用原生的 socket 类似，没有什么特别大的差别。

下面我们来看看它真正强大的地方。到目前为止，我们将的都是阻塞 I/O。何为阻塞 I/O，看下图：

[![java-nio-02.jpg][]][java-nio-02.jpg 1]

*我们主要观察图中的前三种 I/O 模型，关于异步 I/O，一般需要依靠操作系统的支持，这里不讨论。*

从图中可以发现，阻塞过程主要发生在两个阶段上：

*  第一阶段：等待数据就绪；
 *  第二阶段：将已就绪的数据从内核缓冲区拷贝到用户空间；

这里产生了一个从内核到用户空间的拷贝，主要是为了系统的性能优化考虑。假设，从网卡读到的数据直接返回给用户空间，那势必会造成频繁的系统中断，因为从网卡读到的数据不一定是完整的，可能断断续续的过来。通过内核缓冲区作为缓冲，等待缓冲区有足够的数据，或者读取完后，进行一次的系统中断，将数据返回给用户，这样就能避免频繁的中断产生。

了解了 I/O 阻塞的两个阶段，下面我们进入正题。看看一个线程是如何实现同时处理多个 I/O 调用的。从上图中的非阻塞 I/O 可以看出，仅仅只有第二阶段需要阻塞，第一阶段的数据等待过程，我们是不需要关心的。不过该模型是频繁地去检查是否就绪，造成了 CPU 无效的处理，反而效果不好。如果有一种类似的好莱坞原则— “**不要给我们打电话，我们会打给你”** 。这样一个线程可以同时发起多个 I/O 调用，并且不需要同步等待数据就绪。在数据就绪完成的时候，会以事件的机制，来通知我们。这样不就实现了单线程同时处理多个 IO 调用的问题了吗？即所说的“**I/O 多路复用模型**”。

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废话讲了一大堆，下面就来实际操刀一下。

### 创建选择器 ###

由上面分析可以，我们得有一个选择器，它能监听所有的 I/O 操作，并且以事件的方式通知我们哪些 I/O 已经就绪了。

代码如下：

import java.nio.channels.Selector;  ...  private static Selector selector; static {    try {        selector = Selector.open();   } catch (IOException e) {        e.printStackTrace();   } }

### 创建非阻塞 I/O ###

下面，我们来创建一个非阻塞的 `SocketChannel`，代码与阻塞实现类型，唯一不同是`socketChannel.configureBlocking(false)`。

*注意：只有在socketChannel.configureBlocking(false)之后的代码，才是非阻塞的，如果socketChannel.connect()在设置非阻塞模式之前，那么连接操作依旧是阻塞调用的。*

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port); // 设置非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.connect(remote);

### 建立选择器与 socket 的关联 ###

选择器与 socket 都创建好了，下一步就是将两者进行关联，好让选择器和监听到 Socket 的变化。这里采用了以 `SocketChannel` 主动注册到选择器的方式进行关联绑定，这也就解释了，为什么不直接`new Socket()`，而是以`SocketChannel`的方式来创建 socket。

代码如下：

socketChannel.register(selector,                        SelectionKey.OP_CONNECT                        | SelectionKey.OP_READ                        | SelectionKey.OP_WRITE);

上面代码，我们将 socketChannel 注册到了选择器中，并且对它的连接、可读、可写事件进行了监听。

具体的事件监听类型如下：

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>操作类型</th> 
 <th>值</th> 
 <th>描述</th> 
 <th>所属对象</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>OP_READ</td> 
 <td>1 &lt;&lt; 0</td> 
 <td>读操作</td> 
 <td>SocketChannel</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>OP_WRITE</td> 
 <td>1 &lt;&lt; 2</td> 
 <td>写操作</td> 
 <td>SocketChannel</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>OP_CONNECT</td> 
 <td>1 &lt;&lt; 3</td> 
 <td>连接socket操作</td> 
 <td>SocketChannel</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>OP_ACCEPT</td> 
 <td>1 &lt;&lt; 4</td> 
 <td>接受socket操作</td> 
 <td>ServerSocketChannel</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 选择器监听 socket 变化 ###

现在，选择器已经与我们关心的 socket 进行了关联。下面就是感知事件的变化，然后调用相应的处理机制。

这里与 Linux 下的 selector 有点不同，nio 下的 selector 不会去遍历所有关联的 socket。我们在注册时设置了我们关心的事件类型，每次从选择器中获取的，只会是那些符合事件类型，并且完成就绪操作的 socket，减少了大量无效的遍历操作。

public void select() throws IOException { // 获取就绪的 socket 个数    while (selector.select() > 0){    // 获取符合的 socket 在选择器中对应的事件句柄 key        Set keys = selector.selectedKeys();  // 遍历所有的key        Iterator it = keys.iterator();        while (it.hasNext()){  // 获取对应的 key，并从已选择的集合中移除            SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();            it.remove();             if (key.isConnectable()){           // 进行连接操作                connect(key);           }            else if (key.isWritable()){           // 进行写操作                write(key);           }            else if (key.isReadable()){           // 进行读操作                receive(key);           }       }   } }

*注意：这里的**selector.select()是同步阻塞的**，等待有事件发生后，才会被唤醒。这就防止了 CPU 空转的产生。当然，我们也可以给它设置超时时间，selector.select(long timeout)来结束阻塞过程。*

### 处理连接就绪事件 ###

下面，我们分别来看下，一个 socket 是如何来处理连接、写入数据和读取数据的（*这些操作都是阻塞的过程，只是我们将等待就绪的过程变成了非阻塞的了*）。

处理连接代码：

// SelectionKey 代表 SocketChannel 在选择器中注册的事件句柄
    private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取事件句柄对应的 SocketChannel
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    
       // 真正的完成 socket 连接
        channel.finishConnect();
    
       // 打印连接信息
        InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
        String host = remote.getHostName();
        int port = remote.getPort();
        System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!", host, port));
    }

### 处理写入就绪事件 ###

// 字符集处理类
    private Charset charset = Charset.forName("utf8");
    
    private void write(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
        String host = remote.getHostName();
    
        // 获取 HTTP 请求，同上一篇
        String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
    
        // 向 SocketChannel 写入事件 
        channel.write(charset.encode(request));
    
        // 修改 SocketChannel 所关心的事件
        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    }

这里有两个地方需要注意：

*  第一个是使用 `channel.write(charset.encode(request));` 进行数据写入。有人会说，为什么不能像上面同步阻塞那样，通过`PrintWriter`包装类进行操作。因为`PrintWriter`的 `write()` 方法是阻塞的，也就是说要等数据真正从 socket 发送出去后才返回。

这与我们这里所讲的阻塞是不一致的，这里的操作虽然也是阻塞的，但它发生的过程是在数据从用户空间到内核缓冲区拷贝过程。至于系统将缓冲区的数据通过 socket 发送出去，这不在阻塞范围内。也解释了为什么要用 `Charset` 对写入内容进行编码了，因为缓冲区接收的格式是`ByteBuffer`。

*  第二，选择器用来监听事件变化的两个参数是 `interestOps` 与 `readyOps`。
    
     *  interestOps：表示 `SocketChannel` 所关心的事件类型，也就是告诉选择器，当有这几种事件发生时，才来通知我。这里通过`key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);`**告诉选择器，之后我只关心“读就绪”事件，其他的不用通知我了。**
     *  readyOps：表示 `SocketChannel` 当前就绪的事件类型。以`key.isReadable()`为例，判断依据就是：`return (readyOps() & OP_READ) != 0;`

### 处理读取就绪事件 ###

private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();
        String receiveData = charset.decode(buffer).toString();
    
        // 当再没有数据可读时，取消在选择器中的关联，并关闭 socket 连接
        if ("".equals(receiveData)) {
            key.cancel();
            channel.close();
            return;
        }
    
        System.out.println(receiveData);
    }

这里的处理基本与写入一致，唯一要注意的是，这里我们需要自行处理去缓冲区读取数据的操作。首先会分配一个固定大小的缓冲区，然后从内核缓冲区中，拷贝数据至我们刚分配固定缓冲区上。这里存在两种情况：

*  我们分配的缓冲区过大，那多余的部分以0补充（*初始化时，其实会自动补0*）。
 *  我们分配的缓冲去过小，因为选择器会不停的遍历。只要 `SocketChannel` 处理读就绪状态，那下一次会继续读取。当然，分配过小，会增加遍历次数。

最后，将一下 `ByteBuffer` 的结构，它主要有 position, limit,capacity 以及 mark 属性。以 `buffer.flip();` 为例，讲下各属性的作用（*mark 主要是用来标记之前 position 的位置，是在当前 postion 无法满足的情况下使用的，这里不作讨论*）。

[![java-nio-03.png][]][java-nio-03.png 1]

从图中看出，

*  容量（capacity）：表示缓冲区可以保存的数据容量；
 *  极限（limit）：表示缓冲区的当前终点，即写入、读取都不可超过该重点；
 *  位置（position）：表示缓冲区下一个读写单元的位置；

### 完整代码 ###

package com.jason.network.mode.nio;  import com.jason.network.constant.HttpConstant; import com.jason.network.util.HttpUtil;  import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.SocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.util.Iterator; import java.util.Set;  public class NioNonBlockingHttpClient {     private static Selector selector;    private Charset charset = Charset.forName("utf8");     static {        try {            selector = Selector.open();       } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();       }   }     public static void main(String[] args) throws IOException {         NioNonBlockingHttpClient client = new NioNonBlockingHttpClient();         for (String host: HttpConstant.HOSTS) {             client.request(host, HttpConstant.PORT);        }         client.select();    }     public void request(String host, int port) throws IOException {        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();        socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);        SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);        socketChannel.configureBlocking(false);        socketChannel.connect(remote);        socketChannel.register(selector,                        SelectionKey.OP_CONNECT                        | SelectionKey.OP_READ                        | SelectionKey.OP_WRITE);   }     public void select() throws IOException {        while (selector.select(500) > 0){            Set keys = selector.selectedKeys();             Iterator it

转载于:https://www.cnblogs.com/itxiaok/p/10357814.html

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