Java nio 开发实例

本文转载来源： http://webservices.ctocio.com.cn/java/30/9323530.shtml

 

        首先了解下所谓的java nio是个什么东西!

　　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。这就是java nio首先来看下传统的阻塞型网络 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。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。

　　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;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。

　　NIO 工具包的成员

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　   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
　　{
　　/**
　　* 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
　　* 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 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;
　　}

 

　   /**
　　* 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();
　　}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。

　　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。

　　看到这里相信你看了不止30分钟了吧, 我说30分钟其实就是想让大家能够轻松的读下去(鸡蛋。。。)

　　好了，到这里大家应该对java nio有个初步的了解了吧~~~