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
?