Java NIO--初步认识

：

一．java NIO 和阻塞I/O的区别
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二．java NIO服务端和客户端代码实现

一．java NIO 和阻塞I/O的区别

1. 阻塞I/O通信模型

假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解，我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的，它会一直等到数据到来时（或超时）才会返回；同样，在调用ServerSocket.accept()方法时，也会一直阻塞到有客户端连接才会返回，每个客户端连接过来后，服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下：
具体分析：

如果你细细分析，一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型，我总结了它的两点缺点：
1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。

以上是原作者的见解，下面是鄙人的认识：

BIO ：

　　1、用户应用程序进行系统调用，

　　2、用户应用程序就一直处于等待状态。

　　3、内核中首先要等待从磁盘某个位置返回数据。

　　4、数据准备好了之后，开始将数据拷贝到内核中

　　5、再将数据从内核中拷贝至应用程序，至此应用才能给使用数据。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2. java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新I/O”，也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。
2. 事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。
3. 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

阅读过一些资料之后，下面贴出我理解的java NIO的工作原理图：

　　与BIO不同的是，这次用户程序仍然在等待数据，但是不会出现线程的阻塞，而是不断地对内核发起询问请求，在这段时间之内用户程序可以做其他的事情，知道内核将数据准备完毕。

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，这种通信模型是怎么实现的呢？呵呵，我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向的流（stream），在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件：

事件名	对应值
服务端接收客户端连接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件	SelectionKey.OP_READ(1)
写事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

　　服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图：

  1 package cn.nio;
  2 
  3 import java.io.IOException;
  4 import java.net.InetSocketAddress;
  5 import java.nio.ByteBuffer;
  6 import java.nio.channels.SelectionKey;
  7 import java.nio.channels.Selector;
  8 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
  9 import java.nio.channels.SocketChannel;
 10 import java.util.Iterator;
 11 
 12 /**
 13  * NIO服务端
 14  * @author 小路
 15  */
 16 public class NIOServer {
 17     //通道管理器
 18     private Selector selector;
 19 
 20     /**
 21      * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
 22      * @param port  绑定的端口号
 23      * @throws IOException
 24      */
 25     public void initServer(int port) throws IOException {
 26         // 获得一个ServerSocket通道
 27         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
 28         // 设置通道为非阻塞
 29         serverChannel.configureBlocking(false);
 30         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
 31         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
 32         // 获得一个通道管理器
 33         this.selector = Selector.open();
 34         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
 35         //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
 36         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 37     }
 38 
 39     /**
 40      * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
 41      * @throws IOException
 42      */
 43     @SuppressWarnings("unchecked")
 44     public void listen() throws IOException {
 45         System.out.println("服务端启动成功！");
 46         // 轮询访问selector
 47         while (true) {
 48             //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
 49             selector.select();
 50             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
 51             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
 52             while (ite.hasNext()) {
 53                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
 54                 // 删除已选的key,以防重复处理
 55                 ite.remove();
 56                 // 客户端请求连接事件
 57                 if (key.isAcceptable()) {
 58                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
 59                             .channel();
 60                     // 获得和客户端连接的通道
 61                     SocketChannel channel = server.accept();
 62                     // 设置成非阻塞
 63                     channel.configureBlocking(false);
 64 
 65                     //在这里可以给客户端发送信息哦
 66                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
 67                     //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
 68                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
 69                     
 70                     // 获得了可读的事件
 71                 } else if (key.isReadable()) {
 72                         read(key);
 73                 }
 74 
 75             }
 76 
 77         }
 78     }
 79     /**
 80      * 处理读取客户端发来的信息 的事件
 81      * @param key
 82      * @throws IOException 
 83      */
 84     public void read(SelectionKey key) throws IOException{
 85         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
 86         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
 87         // 创建读取的缓冲区
 88         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
 89         channel.read(buffer);
 90         byte[] data = buffer.array();
 91         String msg = new String(data).trim();
 92         System.out.println("服务端收到信息："+msg);
 93         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
 94         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
 95     }
 96     
 97     /**
 98      * 启动服务端测试
 99      * @throws IOException 
100      */
101     public static void main(String[] args) throws IOException {
102         NIOServer server = new NIOServer();
103         server.initServer(8000);
104         server.listen();
105     }
106 
107 }

客户端：

package cn.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
 * NIO客户端
 * @author 小路
 */
public class NIOClient {
    //通道管理器
    private Selector selector;

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     * @param ip 连接的服务器的ip
     * @param port  连接的服务器的端口号         
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
        // 获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        
        // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect();才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     * @throws IOException
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void listen() throws IOException {
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                // 连接事件发生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key
                            .channel();
                    // 如果正在连接，则完成连接
                    if(channel.isConnectionPending()){
                        channel.finishConnect();
                        
                    }
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
                    
                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                        read(key);
                }

            }

        }
    }
    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 的事件
     * @param key
     * @throws IOException 
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        //和服务端的read方法一样
    }
    
    
    /**
     * 启动客户端测试
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost",8000);
        client.listen();
    }

}

[参考文章] http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

　　　　 http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO#584 【比较详细】