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深入理解Java NIO

2018年10月17日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

何谓reactor模式?它是实现高性能io的一种设计模式。网上资料有很多,有些写的也很好,但大多不知其所以然。这里博主按自己的思路简单介绍下,有不对的地方敬请指正。


bio

java1.4(2002年)以前,io都是blocking的,也就是常说的bio,它在等待请求、读、写(返回)三个环节都是阻塞的。在等待请求阶段,系统无法知道请求何时到达,因此需要一个主线程一直守着,当有请求进来时,将请求分发给读写线程。如图:

代码如下:

    executorservice executor = excutors.newfixedthreadpollexecutor(100);//线程池
    serversocket serversocket = new serversocket();
    serversocket.bind(8088); 
    while(!thread.currentthread.isinturrupted()){//主线程死循环等待新连接到来        
        socket socket = serversocket.accept();
        executor.submit(new connectionhandler(socket));//为新的连接创建新的线程 
    }
class connectionhandler extends thread{ private socket socket; public connectionhandler(socket socket){ this.socket = socket; } public void run(){ while(!thread.currentthread.isinturrupted()&&!socket.isclosed()){//死循环处理读写事件 string something = socket.read()....//读取数据 if(something!=null){
           ......//处理数据
           socket.write()....//写数据 } } }

需知,请求进来(accept),并不表示数据马上达到了,可能隔一段时间才会传进来,这个时候socket.read()也是一直阻塞的状态。socket.write()也同理,当向磁盘或其它socket写数据时,也要等对方准备好才能写入,在对方准备阶段,socket.write()也是阻塞的。这两个环节可能的无效阻塞导致读写线程的低效。


nio

java1.4开始,引入了nio。nio有三个概念:selector、buffer、channel。与bio的区别是,请求进来后,并不会马上分派io线程,而是依靠操作系统底层的多路复用机制(select/poll/epoll等),在监听到socket读写就绪之后,再分配io线程(实际可由当前线程[使用buffer和channel]直接读写,因为读写本身的效率很高),这就避免了线程等待。且与bio多线程方式相比,使用i/o多路复用技术,系统不必创建和维护庞大的线程池,从而大大减小了开销。这部分工作是nio的核心,由selector负责,本质上是多路复用的java封装。而buffer和channel又封装了一层socket的读写,应该为的是将io与业务代码彻底分离。以下图示为本人理解:

如图示,与bio中监听线程职责不同,selector监听的不只是连接请求,还有读写就绪事件,当某个事件发生时,即通知注册了该事件的channel,由channel操作socket读写buffer。虚线表示需要具体的nio框架或业务代码自己处理,比如channel如何注册以及注册何种事件,channel处理io的方式(如在当前线程处理还是新开线程,若新开线程,则可看作是aio模式)等。nio只是提供了一套机制,具体使用还是需要编程实现(reactor模式就是oo的一种实现)。

示例代码(摘自java nio详解

服务端:

 1 package cn.blog.test.niotest;
 2 
 3 
 4 import java.io.ioexception;
 5 import java.net.inetsocketaddress;
 6 import java.nio.bytebuffer;
 7 import java.nio.channels.*;
 8 import java.nio.charset.charset;
 9 import java.util.iterator;
10 import java.util.set;
11 
12 
13 public class mynioserver {
14     private selector selector;          //创建一个选择器
15     private final static int port = 8686;
16     private final static int buf_size = 10240;
17 
18     private void initserver() throws ioexception {
19         //创建通道管理器对象selector
20         this.selector=selector.open();
21 
22         //创建一个通道对象channel
23         serversocketchannel channel = serversocketchannel.open();
24         channel.configureblocking(false);       //将通道设置为非阻塞
25         channel.socket().bind(new inetsocketaddress(port));       //将通道绑定在8686端口
26 
27         //将上述的通道管理器和通道绑定,并为该通道注册op_accept事件
28         //注册事件后,当该事件到达时,selector.select()会返回(一个key),如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞
29         selectionkey selectionkey = channel.register(selector,selectionkey.op_accept);
30 
31         while (true){       //轮询
32             selector.select();          //这是一个阻塞方法,一直等待直到有数据可读,返回值是key的数量(可以有多个)
33             set keys = selector.selectedkeys();         //如果channel有数据了,将生成的key访入keys集合中
34             iterator iterator = keys.iterator();        //得到这个keys集合的迭代器
35             while (iterator.hasnext()){             //使用迭代器遍历集合
36                 selectionkey key = (selectionkey) iterator.next();       //得到集合中的一个key实例
37                 iterator.remove();          //拿到当前key实例之后记得在迭代器中将这个元素删除,非常重要,否则会出错
38                 if (key.isacceptable()){         //判断当前key所代表的channel是否在acceptable状态,如果是就进行接收
39                     doaccept(key);
40                 }else if (key.isreadable()){
41                     doread(key);
42                 }else if (key.iswritable() && key.isvalid()){
43                     dowrite(key);
44                 }else if (key.isconnectable()){
45                     system.out.println("连接成功!");
46                 }
47             }
48         }
49     }
50 
51     public void doaccept(selectionkey key) throws ioexception {
52         serversocketchannel serverchannel = (serversocketchannel) key.channel();
53         system.out.println("serversocketchannel正在循环监听");
54         socketchannel clientchannel = serverchannel.accept();
55         clientchannel.configureblocking(false);
56         clientchannel.register(key.selector(),selectionkey.op_read);
57     }
58 
59     public void doread(selectionkey key) throws ioexception {
60         socketchannel clientchannel = (socketchannel) key.channel();
61         bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(buf_size);
62         long bytesread = clientchannel.read(bytebuffer);
63         while (bytesread>0){
64             bytebuffer.flip();
65             byte[] data = bytebuffer.array();
66             string info = new string(data).trim();
67             system.out.println("从客户端发送过来的消息是:"+info);
68             bytebuffer.clear();
69             bytesread = clientchannel.read(bytebuffer);
70         }
71         if (bytesread==-1){
72             clientchannel.close();
73         }
74     }
75 
76     public void dowrite(selectionkey key) throws ioexception {
77         bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(buf_size);
78         bytebuffer.flip();
79         socketchannel clientchannel = (socketchannel) key.channel();
80         while (bytebuffer.hasremaining()){
81             clientchannel.write(bytebuffer);
82         }
83         bytebuffer.compact();
84     }
85 
86     public static void main(string[] args) throws ioexception {
87         mynioserver mynioserver = new mynioserver();
88         mynioserver.initserver();
89     }
90 }
view code

客户端:

 1 package cn.blog.test.niotest;
 2 
 3 
 4 import java.io.ioexception;
 5 import java.net.inetsocketaddress;
 6 import java.nio.bytebuffer;
 7 import java.nio.channels.selectionkey;
 8 import java.nio.channels.selector;
 9 import java.nio.channels.socketchannel;
10 import java.util.iterator;
11 
12 public class mynioclient {
13     private selector selector;          //创建一个选择器
14     private final static int port = 8686;
15     private final static int buf_size = 10240;
16     private static bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(buf_size);
17 
18     private void  initclient() throws ioexception {
19         this.selector = selector.open();
20         socketchannel clientchannel = socketchannel.open();
21         clientchannel.configureblocking(false);
22         clientchannel.connect(new inetsocketaddress(port));
23         clientchannel.register(selector, selectionkey.op_connect);
24         while (true){
25             selector.select();
26             iterator<selectionkey> iterator = selector.selectedkeys().iterator();
27             while (iterator.hasnext()){
28                 selectionkey key = iterator.next();
29                 iterator.remove();
30                 if (key.isconnectable()){
31                     doconnect(key);
32                 }else if (key.isreadable()){
33                     doread(key);
34                 }
35             }
36         }
37     }
38 
39     public void doconnect(selectionkey key) throws ioexception {
40         socketchannel clientchannel = (socketchannel) key.channel();
41         if (clientchannel.isconnectionpending()){
42             clientchannel.finishconnect();
43         }
44         clientchannel.configureblocking(false);
45         string info = "服务端你好!!";
46         bytebuffer.clear();
47         bytebuffer.put(info.getbytes("utf-8"));
48         bytebuffer.flip();
49         clientchannel.write(bytebuffer);
50         //clientchannel.register(key.selector(),selectionkey.op_read);
51         clientchannel.close();
52     }
53 
54     public void doread(selectionkey key) throws ioexception {
55         socketchannel clientchannel = (socketchannel) key.channel();
56         clientchannel.read(bytebuffer);
57         byte[] data = bytebuffer.array();
58         string msg = new string(data).trim();
59         system.out.println("服务端发送消息:"+msg);
60         clientchannel.close();
61         key.selector().close();
62     }
63 
64     public static void main(string[] args) throws ioexception {
65         mynioclient mynioclient = new mynioclient();
66         mynioclient.initclient();
67     }
68 }
view code

在早期的jdk1.4和1.5 update10版本之前,selector基于select/poll模型实现,是基于io复用技术的非阻塞io,不是异步io。在jdk1.5 update10和linux core2.6以上版本,sun优化了selctor的实现,底层使用epoll替换了select/poll。另据说buffer指向的并非堆内内存,nio使用 native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 java 堆的 directbytebuffer 对象作为这块内存的引用进行操作,避免了在 java 堆和 native 堆中来回复制数据。

nio的实现解析可参看:深入浅出nio socket实现机制


reactor模式

nio为实现reactor模式提供了基础,上面的nio图示其实就是reactor模式的雏形,只是reactor以oo的方式抽象出了几个概念,使得职责划分更加明确。

  • reactor:reactor是io事件的派发者,对应nio的selector;
  • acceptor:acceptor接受client连接,建立对应client的handler,并向reactor注册此handler,对应nio中注册channel和事件触发时的判断分支(上述nio服务端示例代码的38-46行);
  • handler:io处理类,对应nio中channel[使用socket]操作buffer的过程。

基于上述三个角色画出reactor模式图如下:

如此,reactor模式便非常清晰地展现在我们眼前。那么业务线程如何与reactor交互呢?由前文所知,数据存取于buffer,具体操作由handler负责。socket.read()将数据读入buffer,需要一种机制将buffer引用推送给业务线程;同样,业务线程返回的数据需要写入buffer,按reactor模式,写入后还需要注册write事件,socket可写后write()。如果直接调用的话,至少handler和业务代码会耦合在一起,常见的解耦方式是定义接口,或使用消息中间件。


其它

话说回来,由于相对短暂的历史以及相对封闭的环境,.net社区缺少很多概念的演化、探究和讨论,这也导致了.neter们这些概念的缺失。虽然从语言层面上来说,c#和java大同小异,前者甚至一定程度的有语法上的便利,然而只有认识到了其背后的思想和模式,才能真正用好这门语言,这就是.neter需要了解java及其历史的原因,毕竟.net一开始就是参照着java来的。

比如.net里的堆栈概念,就算一些经典书籍都没有非常深入的说明,而java方面的资料就很多了,参看深入理解jvm—jvm内存模型

 

其它参考资料:

nio浅析

深入理解java nio

 

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