Java NIO原理图文分析及代码实现
前言:
最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ，远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考：http://baike.baidu.com/view/32726.htm ）机制时，发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术：动态代理（动态代理可以参考博客：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1477774 ）和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码，我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。
这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO
目录：
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
具体分析：
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：
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。
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：
（注：每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。）
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：
二．java NIO服务端和客户端代码实现
为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。
服务端：
1. package
2.
3. import
4. import
5. import
6. import
7. import
8. import
9. import
10. import
11.
12. /**
13. * NIO服务端
14. * @author 小路
15. */
16. public class
17. //通道管理器
18. private
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
26. // 获得一个ServerSocket通道
27. ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
28. // 设置通道为非阻塞
29. false);
30. // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
31. new
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
45. "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. this.selector.selectedKeys().iterator();
52. while
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
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. false);
64.
65. //在这里可以给客户端发送信息哦
66. 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. this.selector, SelectionKey.OP_READ);
69.
70. // 获得了可读的事件
71. else if
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
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. 10);
89. channel.read(buffer);
90. byte[] data = buffer.array();
91. new
92. "服务端收到信息："+msg);
93. ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
94. // 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
102. new
103. 8000);
104. server.listen();
105. }
106.
107. }
客户端：
1. package
2.
3. import
4. import
5. import
6. import
7. import
8. import
9. import
10.
11. /**
12. * NIO客户端
13. * @author 小路
14. */
15. public class
16. //通道管理器
17. private
18.
19. /**
20. * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
21. * @param ip 连接的服务器的ip
22. * @param port 连接的服务器的端口号
23. * @throws IOException
24. */
25. public void initClient(String ip,int port) throws
26. // 获得一个Socket通道
27. SocketChannel channel = SocketChannel.open();
28. // 设置通道为非阻塞
29. false);
30. // 获得一个通道管理器
31. this.selector = Selector.open();
32.
33. // 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
34. //用channel.finishConnect();才能完成连接
35. new
36. //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
37. channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
38. }
39.
40. /**
41. * 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
42. * @throws IOException
43. */
44. @SuppressWarnings("unchecked")
45. public void listen() throws
46. // 轮询访问selector
47. while (true) {
48. selector.select();
49. // 获得selector中选中的项的迭代器
50. this.selector.selectedKeys().iterator();
51. while
52. SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
53. // 删除已选的key,以防重复处理
54. ite.remove();
55. // 连接事件发生
56. if
57. SocketChannel channel = (SocketChannel) key
58. .channel();
59. // 如果正在连接，则完成连接
60. if(channel.isConnectionPending()){
61. channel.finishConnect();
62.
63. }
64. // 设置成非阻塞
65. false);
66.
67. //在这里可以给服务端发送信息哦
68. new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
69. //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。
70. this.selector, SelectionKey.OP_READ);
71.
72. // 获得了可读的事件
73. else if
74. read(key);
75. }
76.
77. }
78.
79. }
80. }
81. /**
82. * 处理读取服务端发来的信息 的事件
83. * @param key
84. * @throws IOException
85. */
86. public void read(SelectionKey key) throws
87. //和服务端的read方法一样
88. }
89.
90.
91. /**
92. * 启动客户端测试
93. * @throws IOException
94. */
95. public static void main(String[] args) throws
96. new
97. "localhost",8000);
98. client.listen();
99. }
100.
101. }
小结：
终于把动态代理和java NIO分析完了，呵呵，下面就要分析hadoop的RPC机制源码了，博客地址：http://weixiaolu.iteye.com/blog/1504898 。不过如果对java NIO的理解存在异议的，欢迎一起讨论。