Java NIO 在并发型服务器设计中的应用

来源：互联网发布：黑客专用软件编辑：程序博客网时间：2024/04/28 19:05

1. 引言
随着多处理机体系结构的演变、网络技术的发展和分布式应用的兴起，并发型多任务的
服务器程序设计技术已越来越显示其重要性，这要求服务器程序能够在几百个甚至更多的客
户端同时发出请求信息的情况下，仍能保持高性能的并发处理机制，迅速完成所有并发请求
的处理。传统的并发型服务器设计是利用阻塞型网络I/O 以多线程的模式来实现的，然而由
于系统常常在进行网络读写时处于阻塞状态，会大大影响系统的性能；自Java1. 4 开始引入
了NIO(新I/O) API，通过使用非阻塞型I/O，实现流畅的网络读写操作，为开发高性能并发
型服务器程序提供了一个很好的解决方案。
2. 传统阻塞型网络I/O 的不足
Java 平台传统的I/O 系统都是基于Byte（字节）和Stream（数据流）的，相应的I/O 操
作都是阻塞型的，所以服务器程序也采用阻塞型I/O 进行数据的读、写操作。本文以TCP
长连接模式来讨论并发型服务器的相关设计，为了实现服务器程序的并发性要求，系统由一
个单独的主线程来监听用户发起的连接请求，一直处于阻塞状态；当有用户连接请求到来时，
程序都会启一个新的线程来统一处理用户数据的读、写操作，其操作模式如图1[1]所示。
图1 基于阻塞I/O 的多线程TCP 服务器操作模式
这种模式的优点是简单、实用、易管理；然而缺点也是显而易见的：由于是为每一个客
户端分配一个线程来处理输入、输出数据，其线程与客户机的比例近似为1：1，随着线程
数量的不断增加，服务器启动了大量的并发线程，会大大加大系统对线程的管理开销，这将
成为吞吐量瓶颈的主要原因；其次由于底层的I/O 操作采用的同步模式，I/O 操作的阻塞管
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理粒度是以服务于请求的线程为单位的,有可能大量的线程会闲置,处于盲等状态，造成I/O
资源利用率不高，影响整个系统的性能。
对于并发型服务器，系统用在阻塞型I/O 等待和线程间切换的时间远远多于CPU 在内
存中处理数据的时间，因此传统的阻塞型I/O 已经成为制约系统性能的瓶颈。Java1.4 版本
后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的异步输入输出机制，为提高系统的性能提供
了可实现的基础机制。
3. NIO 包及工作原理
针对传统I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（缓冲区）、Channel（通
道）、Selector（选择器）的新模式[2]；Selector（选择器）、可选择的Channel（通道）和
SelectionKey（选择键）配合起来使用，可以实现并发的非阻塞型I/O 能力。
3.1 NIO 工具包的成员[3]
3.1.1 Buffer（缓冲器）
Buffer 类是一个抽象类，它有7 个子类分别对应于七种基本的数据类型：ByteBuffer、
CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一个Buffer
对象相当于一个数据容器，可以把它看作内存中的一个大的数组，用来存储和提取所有基本
类型(boolean 型除外)的数据。Buffer 类的核心是一块内存区，可以直接对其执行与内存有关
的操作，利用操作系统特性和能力提高和改善Java 传统I/O 的性能。
3.1.2 Channel（通道）
Channel 被认为是NIO 工具包的一大创新点，是(Buffer)缓冲器和I/O 服务之间的通道，
具有双向性，既可以读入也可以写出，可以更高效的传递数据。我们这里主要讨论
ServerSocketChannel 和SocketChannel，它们都继承了SelectableChannel，是可选择的通道，
分别可以工作在同步和异步两种方式下（这里的可选择不是指可以选择两种工作方式，而是
指可以有选择的注册自己感兴趣的事件）。当通道工作在同步方式时，它的功能和编程方法
与传统的ServerSocket、Socket 对象相似；当通道工作在异步工作方式时，进行输入输出处
理不必等到输入输出完毕才返回，并且可以将其感兴趣的（如：接受操作、连接操作、读出
操作、写入操作）事件注册到Selector 对象上，与Selector 对象协同工作可以更有效率的支
持和管理并发的网络套接字连接。
3.1.3 Selector（选择器）和SelectionKey（选择键）
各类Buffer 是数据的容器对象；各类Channel 实现在各类Buffer 与各类I/O 服务间传输
数据。Selector 是实现并发型非阻塞I/O 的核心，各种可选择的通道将其感兴趣的事件注册
到Selector 对象上，Selector 在一个循环中不断轮循监视这各些注册在其上的Socket 通道。
SelectionKey 类则封装了SelectableChannel 对象在Selector 中的注册信息。当Selector 监测
到在某个注册的SelectableChannel 上发生了感兴趣的事件时,自动激活产生一个SelectionKey
对象,在这个对象中记录了哪一个SelectableChannel 上发生了哪种事件，通过对被激活的
SelectionKey 的分析,外界可以知道每个SelectableChannel 发生的具体事件类型,进行相应的
处理。
- 3 -
3.2 NIO 工作原理
通过上面的讨论，我们可以看出在并发型服务器程序中使用NIO，实际上是通过网络事
件驱动模型实现的。我们应用Select 机制，不用为每一个客户端连接新启线程处理，而是将
其注册到特定的Selector 对象上，这就可以在单线程中利用Selector 对象管理大量并发的网
络连接，更好的利用了系统资源；采用非阻塞I/O 的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完
成即可返回，从而减少了管理I/O 连接导致的系统开销，大幅度提高了系统性能。NIO 的结
构如图2 所示。
图2 非阻塞网络I/O 原理
从图中可以看出，当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector 中获得相应的
SelectionKey ，从SelectionKey 中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的
SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。由于在非阻塞网络I/O 中采用了事件触
发机制，处理程序可以得到系统的主动通知，从而可以实现底层网络I/O 无阻塞、流畅地读
写，而不像在原来的阻塞模式下处理程序需要不断循环等待。使用NIO，可以编写出性能更
好、更易扩展的并发型服务器程序。
4. 并发型服务器程序的实现代码
应用NIO 工具包，基于非阻塞网络I/O 设计的并发型服务器程序与以往基于阻塞I/O 的
实现程序有很大不同，在使用非阻塞网络I/O 的情况下，程序读取数据和写入数据的时机不
是由程序员控制的，而是Selector 决定的。下面便给出基于非阻塞网络I/O 的并发型服务器
程序的核心代码片段[4]：

Java代码  
import java.io.*； //引入Java.io包  
import java.net.*； //引入Java.net包  
import java.nio.channels.*； //引入Java.nio.channels包  
import java.util.*； //引入Java.util包  
public class TestServer implements Runnable  
{  
/** 
- 4 - 
* 服务器Channel对象，负责接受用户连接 
*/  
private ServerSocketChannel server；  
/** 
* Selector对象，负责监控所有的连接到服务器的网络事件的发生 
*/  
private Selector selector；  
/** 
* 总的活动连接数 
*/  
private int activeSockets；  
/** 
* 服务器Channel绑定的端口号 
*/  
private int port ；  
/** 
* 构造函数 
*/  
public TestServer()throws IOException  
{  
activeSockets=0；  
port=9999；//初始化服务器Channel绑定的端口号为9999  
selector= Selector.open()；//初始化Selector对象  
server=ServerSocketChannel.open()；//初始化服务器Channel对象  
ServerSocket socket=server.socket()；//获取服务器Channel对应的//ServerSocket对象  
socket.bind(new InetSocketAddress(port))；//把Socket绑定到监听端口9999上  
server.configureBlocking(false)；//将服务器Channel设置为非阻塞模式  
server.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT)；//将服务器Channel注册到  
Selector对象，并指出服务器Channel所感兴趣的事件为可接受请求操作  
}  
public void run()  
{  
while(true)  
{  
try  
{  
/** 
* 应用Select机制轮循是否有用户感兴趣的新的网络事件发生，当没有 
- 5 - 
* 新的网络事件发生时，此方法会阻塞，直到有新的网络事件发生为止 
*/  
selector.select()；  
}  
catch(IOException e)  
{  
continue；//当有异常发生时，继续进行循环操作  
}  
/** 
* 得到活动的网络连接选择键的集合 
*/  
Set<SelectionKey> keys=selector.selectedKeys()；  
activeSockets=keys.size()；//获取活动连接的数目  
if(activeSockets==0)  
{  
continue；//如果连接数为0，则继续进行循环操作  
}  
/** 
* 应用For—Each循环遍历整个选择键集合 
*/  
for(SelectionKey key :keys)  
{  
/** 
* 如果关键字状态是为可接受，则接受连接，注册通道，以接受更多的* 
事件，进行相关的服务器程序处理 
*/  
if(key.isAcceptable())  
{  
doServerSocketEvent(key)；  
continue；  
}  
/** 
* 如果关键字状态为可读，则说明Channel是一个客户端的连接通道， 
* 进行相应的读取客户端数据的操作 
*/  
if(key.isReadable())  
{  
doClientReadEvent(key)；  
continue；  
- 6 -  
}  
/** 
* 如果关键字状态为可写，则也说明Channel是一个客户端的连接通道， 
* 进行相应的向客户端写数据的操作 
*/  
if(key.isWritable())  
{  
doClinetWriteEvent(key)；  
continue；  
}  
}  
}  
}  
/** 
* 处理服务器事件操作 
* @param key 服务器选择键对象 
*/  
private void doServerSocketEvent(SelectionKey key)  
{  
SocketChannel client=null；  
try  
{  
ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel)key.channel()；  
client=server.accept()；  
if(client==null)  
{  
return；  
}  
client.configureBlocking(false)；//将客户端Channel设置为非阻塞型  
/** 
* 将客户端Channel注册到Selector对象上，并且指出客户端Channel所感 
* 兴趣的事件为可读和可写 
*/  
client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ)；  
}catch(IOException e)  
{  
try  
{  
client.close();  
- 7 -  
}catch(IOException e1){}  
}  
}  
/** 
* 进行向客户端写数据操作 
* @param key 客户端选择键对象 
*/  
private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key)  
{  
代码实现略；  
}  
/** 
* 进行读取客户短数据操作 
* @param key 客户端选择键对象 
*/  
private void doClientReadEvent(SelectionKey key)  
{  
代码实现略；  
}  
}  

从上面对代码可以看出，使用非阻塞性I/O进行并发型服务器程序设计分三个部分：1.
向Selector对象注册感兴趣的事件；2.从Selector中获取所感兴趣的事件；3.根据不同的事件进
行相应的处理。
5. 结语
通过使用NIO 工具包进行并发型服务器程序设计，一个或者很少几个Socket 线程就可
以处理成千上万个活动的Socket 连接，大大降低了服务器端程序的开销；同时网络I/O 采取
非阻塞模式，线程不再在读或写时阻塞，操作系统可以更流畅的读写数据并可以更有效地向
CPU 传递数据进行处理，以便更有效地提高系统的性能。