java十分鍾速懂知識點——NIO

一、引子

    nio是java的IO框架里邊十分重要的一部分內容，其最核心的就是提供了非阻塞IO的處理方式，最典型的應用場景就是處理網絡連接。很多同學提起nio都能說起一二，但是細究其背后的原理、思想往往就開始背書，說來說去都是那么幾句，其中不少人並不見的真的很理解。本人之前就屬於此類，看了很多書和博客，但是大多數都只是講了三件套和怎么使用，很少會很細致的講背后的思想，那本次我們就來扒一扒吧。
    很多博客描述nio都是這么說的：基於Reactor模式實現的多路非阻塞高性能的網絡IO。那么我們就從這個定義來分析，其中兩個關鍵點：多路非阻塞和Reactor模式。(本來想把高性能也算進去，但是后來想想這個應該算前兩者的結果)下邊我們來分別搞懂這兩塊。

二、網絡IO模型

    多路非阻塞其實准確的名字叫做IO多路復用模型，其是linux五種網絡模型之一，也是當前網絡編程最常使用的模型之一。至於詳細的介紹請參考博客：高性能IO模型淺析(這個里邊只給出了4中，沒有信號驅動IO，但講的很贊，特別是圖)，這里僅作簡要介紹和對比：

• 阻塞IO：java中老的bio便是這種模式，在接到事件（數據到達、數據拷貝完成等）前程序需阻塞等待。優點是編碼簡單，缺點是效率低，處理程序阻塞會導致cpu利用率很低。
• 非阻塞IO：在未接到事件時處理程序一直主動輪詢，這樣處理程序無需阻塞，可以在輪詢間歇去干別的，但是輪詢會造成重復請求，同樣浪費資源。以前java中實現的的偽異步模式就是采用這種思想。
• IO復用模型：增加了對socket的事件監聽器(selector)，從而把處理程序和對應的socket事件解耦，所用的socket連接都注冊在監聽器，在等待階段只有監聽器會阻塞，處理線程從監聽器獲取事件對socket連接處理即可，而且一個處理線程可以對應多個連接（前兩種一般都是一個socket連接起一個線程，這就是為什么叫復用），有點是節省資源，由於處理程序能夠被多個連接復用，因此少數的線程就能處理大量連接。缺點同樣因為復用，如果是大量費時處理的連接（如大量連接上傳大文件），很容易造成線程占滿而導致新連接失敗。
• 信號驅動IO模型：在數據准別階段無需阻塞，只需向系統注冊一個信號，在數據准備好后，系統會響應該信號。該模型依賴於系統實現，而且信號通信使用比較麻煩，因此java中未有對應實現。
• 異步IO：與信號驅動IO很類似，而且在數據拷貝階段(指數據從系統緩沖區拷貝至程序自己的緩沖區，其他模型改階段程序都需要阻塞等待)同樣可以異步處理。有點不必多說，效率很高，缺點是依賴系統底層實現。目前很多語言都提供該模型的實現，jdk1.7之后同樣在concurrent包中提供了。

    對比以上五種模型可以知道，IO復用模型從效率和實現成本綜合而言目前是比較好的選擇，這就是java基於該模型實現nio的根本原因。上邊提到了IO復用模型的實現思想，其實這種思想在其他語言中早已實現(如C++中據說流弊哄哄超10w行代碼的ACE,自適配通信環境，就采用了該模型)，並且提出了一個叫Reactor的設計模式。

三、Reactor模式

    Reactor模式，翻譯過來叫做反引器模式，其目的是在事件驅動的應用中，將一個請求的能夠分離並且調度給應用程序。我相信大多數人都沒看明白前一句的意思（書還是要背的），說白了就是對於一個請求的多個事件（如連接、讀寫等），經過這種模式的處理，能夠區分出來，並且分別交給對應的處理模塊處理。廢話不多說，來看下一個簡圖：

     可以看到Reactor模式中組件有acceptor、dispatcher和handler(這里只是拿一種實現做個例子，真實的實現各有不同)，其中 acceptor中注冊了各類事件，當連接有新的事件過來時，其會將事件交給dispatcher進行分發；dispatcher綁定了事件和對應處理程序handler的映射關系，當接到新事件時其會把事件分發到對應handler；而handler 負責處理對應事件，這塊就是我們的業務層了。

    從該模式我們可以發現，對於 acceptor、dispatcher我們往往只需要一個線程作為入口即可，因為其並不會有耗時處理，效率很高，而handler則根據需要起幾個線程即可（多數時候使用一個線程池實現），這正是IO復用模型 期 望的效果。

     下邊我們會介紹NIO是如何實現該模式的，在此之前先介紹一下框架，其實除了NIO之外，基於JVM實現的還有其他Reactor框架，正好最近OSC牽頭翻譯了對應文檔，有興趣的可以看下： Reactor 指南 。

四、NIO

    NIO的細節就不多講了，這里只介紹下三件套：

• channel：管道，可以看做對流的封裝，有點像pipe，不過其是全雙工的。其好處是屏蔽了底層細節，不用關心流對應的是文件還是網絡，也不用關心連接怎么處理的，而且全雙工，不用考慮輸入流或輸出流，你只用使用buffer對其進行讀寫就行了。
• buffer：channel的好基友，底層就是個字節數組，不同的是對其進行了封裝，不僅提供了對基本類型的支持，而且內部維持了讀寫位置(postion、limit、capacity、mark等)，還提供了便捷的方法(clear、flip)。對channel的讀寫必須通過buffer。
• selector：這個不多說了，如果前邊認真看基本上就明白干啥的，就是Reactor模式中Acceptor的實現。

    再來看個簡圖吧：

    基本上和Reactor能對應上，少了個dispatcher，這是由於jdk本身提供的nio比較基本，dispatcher一般都由我們自己實現，而在我理解中，mina、netty這些框架很重要的一方面也是提供了該部分的實現。

五、一個例子

    從《netty權威指南》上抄了個例子以及配圖，而且代碼沒有客戶端的，大家可以瞄一眼吧（為什么沒有？因為已經快一點了，我不想寫了......）:
服務器端時序圖：

客戶端時序圖：

服務器端代碼：

package com.gj.netty.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * Created by guojing on 2015/6/7.
 */
public class MultiplexerTimerServer implements Runnable {

    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel servChannel;
    private volatile boolean stop;

    public MultiplexerTimerServer(int port) {
        try {
            selector = Selector.open(); //新建多路復用selector
            servChannel = ServerSocketChannel.open();   //新建channel
            servChannel.configureBlocking(false);  //設置非阻塞
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024); //端口、塊大小
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("TimeServer is start, port:" + port);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public void run() {
        while (!stop){
            try {
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> ketIt = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (ketIt.hasNext()){
                    key = ketIt.next();
                    ketIt.remove();
                    //處理對應key事件
                    handler(key);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

    private void handler(SelectionKey key){
        //根據key去除channel做對應處理
    }
}

六、最后一點啰嗦

    我想如果這會兒還有人記得標題一定會罵我了，丫的十分鍾個屁啊，認真看完至少待半個小時。這個我只能說如果你之前已經理解了，那么畫個10分鍾瞟一眼無所謂的，如果以前沒理解，如果本文能讓你有了更好的理解，那么花多少時間更無所謂了，要知道懂了java的nio是量的積累，了解了其背后的思想和原理是質的積累。而且，我明明計划半小時寫完的，這會已經2個多小時過去了......