Java NIO非堵塞應(yīng)用通常適用用在I/O讀寫等方面,我們知道,系統(tǒng)運行的性能瓶頸通常在I/O讀寫,包括對端口和文件的操作上,過去,在打開一個I/O通道后,read()將一直等待在端口一邊讀取字節(jié)內(nèi)容,如果沒有內(nèi)容進來,read()也是傻傻的等,這會影響我們程序繼續(xù)做其他事情,那么改進做法就是開設(shè)線程,讓線程去等待,但是這樣做也是相當耗費資源的。

Java NIO非堵塞技術(shù)實際是采取Reactor模式,或者說是Observer模式為我們監(jiān)察I/O端口,如果有內(nèi)容進來,會自動通知我們,這樣,我們就不必開啟多個線程死等,從外界看,實現(xiàn)了流暢的I/O讀寫,不堵塞了。

Java NIO出現(xiàn)不只是一個技術(shù)性能的提高,你會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上到處在介紹它,因為它具有里程碑意義,從JDK1.4開始,Java開始提高性能相關(guān)的功能,從而使得Java在底層或者并行分布式計算等操作上已經(jīng)可以和C或Perl等語言并駕齊驅(qū)。

如果你至今還是在懷疑Java的性能,說明你的思想和觀念已經(jīng)完全落伍了,Java一兩年就應(yīng)該用新的名詞來定義。從JDK1.5開始又要提供關(guān)于線程、并發(fā)等新性能的支持,Java應(yīng)用在游戲等適時領(lǐng)域方面的機會已經(jīng)成熟,Java在穩(wěn)定自己中間件地位后,開始蠶食傳統(tǒng)C的領(lǐng)域。

本文主要簡單介紹NIO的基本原理,在下一篇文章中,將結(jié)合Reactor模式和著名線程大師Doug Lea的一篇文章深入討論。

NIO主要原理和適用。

NIO 有一個主要的類Selector,這個類似一個觀察者,只要我們把需要探知的socketchannel告訴Selector,我們接著做別的事情,當有事件發(fā)生時,他會通知我們,傳回一組SelectionKey,我們讀取這些Key,就會獲得我們剛剛注冊過的socketchannel,然后,我們從這個Channel中讀取數(shù)據(jù),放心,包準能夠讀到,接著我們可以處理這些數(shù)據(jù)。

Selector內(nèi)部原理實際是在做一個對所注冊的channel的輪詢訪問,不斷的輪詢(目前就這一個算法),一旦輪詢到一個channel有所注冊的事情發(fā)生,比如數(shù)據(jù)來了,他就會站起來報告,交出一把鑰匙,讓我們通過這把鑰匙來讀取這個channel的內(nèi)容。

了解了這個基本原理,我們結(jié)合代碼看看使用,在使用上,也在分兩個方向,一個是線程處理,一個是用非線程,后者比較簡單,看下面代碼:


import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.channels.spi.*;
import java.net.*;
import java.util.*;

/**
*
* @author Administrator
* @version
*/
public class NBTest {


  /** Creates new NBTest */
  public NBTest()
  {
  }

  public void startServer() throws Exception
  {
  int channels = 0;
  int nKeys = 0;
  int currentSelector = 0;

  //使用Selector
  Selector selector = Selector.open();

  //建立Channel 并綁定到9000端口
  ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
  InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),9000);
  ssc.socket().bind(address);

  //使設(shè)定non-blocking的方式。
  ssc.configureBlocking(false);

  //向Selector注冊Channel及我們有興趣的事件
  SelectionKey s = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  printKeyInfo(s);

  while(true) //不斷的輪詢
  {
    debug("NBTest: Starting select");

    //Selector通過select方法通知我們我們感興趣的事件發(fā)生了。
    nKeys = selector.select();
    //如果有我們注冊的事情發(fā)生了,它的傳回值就會大于0
    if(nKeys > 0)
    {
      debug("NBTest: Number of keys after select operation: " +nKeys);

      //Selector傳回一組SelectionKeys
      //我們從這些key中的channel()方法中取得我們剛剛注冊的channel。
      Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator i = selectedKeys.iterator();
      while(i.hasNext())
      {
         s = (SelectionKey) i.next();
         printKeyInfo(s);
         debug("NBTest: Nr Keys in selector: " +selector.keys().size());

         //一個key被處理完成后,就都被從就緒關(guān)鍵字(ready keys)列表中除去
         i.remove();
         if(s.isAcceptable())
         {
           // 從channel()中取得我們剛剛注冊的channel。
           Socket socket = ((ServerSocketChannel)s.channel()).accept().socket();
           SocketChannel sc = socket.getChannel();

           sc.configureBlocking(false);
           sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE);
                      System.out.println(++channels);
         }
         else
         {
           debug("NBTest: Channel not acceptable");
         }
      }
   }
   else
   {
      debug("NBTest: Select finished without any keys.");
   }

  }

}


private static void debug(String s)
{
  System.out.println(s);
}


private static void printKeyInfo(SelectionKey sk)
{
  String s = new String();

  s = "Att: " + (sk.attachment() == null ? "no" : "yes");
  s += ", Read: " + sk.isReadable();
  s += ", Acpt: " + sk.isAcceptable();
  s += ", Cnct: " + sk.isConnectable();
  s += ", Wrt: " + sk.isWritable();
  s += ", Valid: " + sk.isValid();
  s += ", Ops: " + sk.interestOps();
  debug(s);
}


/**
* @param args the command line arguments
*/
public static void main (String args[])
{
  NBTest nbTest = new NBTest();
  try
  {
    nbTest.startServer();
  }
    catch(Exception e)
  {
    e.printStackTrace();
  }
}

}


這是一個守候在端口9000的noblock server例子,如果我們編制一個客戶端程序,就可以對它進行互動操作,或者使用telnet 主機名 90000 可以鏈接上。

當前分布式計算 Web Services盛行天下,這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的底層都離不開對socket的操作。他們都有一個共同的結(jié)構(gòu):
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply

經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)計如下圖,在每個線程中完成對數(shù)據(jù)的處理:

但這種模式在用戶負載增加時,性能將下降非常的快。我們需要重新尋找一個新的方案,保持數(shù)據(jù)處理的流暢,很顯然,事件觸發(fā)機制是最好的解決辦法,當有事件發(fā)生時,會觸動handler,然后開始數(shù)據(jù)的處理。

Reactor模式類似于AWT中的Event處理:

Reactor模式參與者

1.Reactor 負責(zé)響應(yīng)IO事件,一旦發(fā)生,廣播發(fā)送給相應(yīng)的Handler去處理,這類似于AWT的thread
2.Handler 是負責(zé)非堵塞行為,類似于AWT ActionListeners;同時負責(zé)將handlers與event事件綁定,類似于AWT addActionListener

如圖:

Java的NIO為reactor模式提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)機制,它的Selector當發(fā)現(xiàn)某個channel有數(shù)據(jù)時,會通過SlectorKey來告知我們,在此我們實現(xiàn)事件和handler的綁定。

我們來看看Reactor模式代碼:


public class Reactor implements Runnable{

  final Selector selector;
  final ServerSocketChannel serverSocket;

  Reactor(int port) throws IOException {
    selector = Selector.open();
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();
    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);
    serverSocket.socket().bind(address);

    serverSocket.configureBlocking(false);
    //向selector注冊該channel
     SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

    logger.debug("-->Start serverSocket.register!");

    //利用sk的attache功能綁定Acceptor 如果有事情,觸發(fā)Acceptor
    sk.attach(new Acceptor());
    logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");
  }


  public void run() { // normally in a new Thread
    try {
    while (!Thread.interrupted())
    {
      selector.select();
      Set selected = selector.selectedKeys();
      Iterator it = selected.iterator();
      //Selector如果發(fā)現(xiàn)channel有OP_ACCEPT或READ事件發(fā)生,下列遍歷就會進行。
      while (it.hasNext())
        //來一個事件 第一次觸發(fā)一個accepter線程
        //以后觸發(fā)SocketReadHandler
        dispatch((SelectionKey)(it.next()));
        selected.clear();
      }
    }catch (IOException ex) {
        logger.debug("reactor stop!"+ex);
    }
  }

  //運行Acceptor或SocketReadHandler
  void dispatch(SelectionKey k) {
    Runnable r = (Runnable)(k.attachment());
    if (r != null){
      // r.run();

    }
  }

  class Acceptor implements Runnable { // inner
    public void run() {
    try {
      logger.debug("-->ready for accept!");
      SocketChannel c = serverSocket.accept();
      if (c != null)
        //調(diào)用Handler來處理channel
        new SocketReadHandler(selector, c);
      }
    catch(IOException ex) {
      logger.debug("accept stop!"+ex);
    }
    }
  }
}

以上代碼中巧妙使用了SocketChannel的attach功能,將Hanlder和可能會發(fā)生事件的channel鏈接在一起,當發(fā)生事件時,可以立即觸發(fā)相應(yīng)鏈接的Handler。

再看看Handler代碼:

public class SocketReadHandler implements Runnable {

  public static Logger logger = Logger.getLogger(SocketReadHandler.class);

  private Test test=new Test();

  final SocketChannel socket;
  final SelectionKey sk;

   static final int READING = 0, SENDING = 1;
  int state = READING;

  public SocketReadHandler(Selector sel, SocketChannel c)
    throws IOException {

    socket = c;

    socket.configureBlocking(false);
     sk = socket.register(sel, 0);

    //將SelectionKey綁定為本Handler 下一步有事件觸發(fā)時,將調(diào)用本類的run方法。
    //參看dispatch(SelectionKey k)
    sk.attach(this);

    //同時將SelectionKey標記為可讀,以便讀取。
    sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    sel.wakeup();
  }

  public void run() {
    try{
    // test.read(socket,input);
      readRequest() ;
    }catch(Exception ex){
    logger.debug("readRequest error"+ex);
    }
  }


/**
* 處理讀取data
* @param key
* @throws Exception
*/
private void readRequest() throws Exception {

  ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
  input.clear();
  try{

    int bytesRead = socket.read(input);

    ......

    //激活線程池 處理這些request
    requestHandle(new Request(socket,btt));

    .....


  }catch(Exception e) {
  }

}

注意在Handler里面又執(zhí)行了一次attach,這樣,覆蓋前面的Acceptor,下次該Handler又有READ事件發(fā)生時,將直接觸發(fā)Handler.從而開始了數(shù)據(jù)的讀 處理 寫 發(fā)出等流程處理。

將數(shù)據(jù)讀出后,可以將這些數(shù)據(jù)處理線程做成一個線程池,這樣,數(shù)據(jù)讀出后,立即扔到線程池中,這樣加速處理速度:

更進一步,我們可以使用多個Selector分別處理連接和讀事件。

一個高性能的Java網(wǎng)絡(luò)服務(wù)機制就要形成,激動人心的集群并行計算即將實現(xiàn)。

Scalable IO in Java原文

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