深入理解NIO（一）—— NIO的簡單使用及其三大組件介紹

深入理解NIO（一）—— NIO的簡單使用及其三大組件介紹

深入理解NIO系列分為四個部分

• 第一個部分也就是本節為NIO的簡單使用（我很少寫這種新手教程，所以如果你是復習還好，應該不難理解這篇，但如果你真的是入門而且不常閱讀這種文字教程可能會看不懂，我的鍋，別擔心，建議找點簡單的視頻教程什么的先看看）
• 第二個部分為Tomcat中對NIO的應用（本篇雖然講Tomcat源碼，但是主要講其中NIO的部分，其他部分請移步）（如果對NIO簡單使用有把握的話可以直接先看這篇）
• 第三個部分為NIO原理及部分源碼的解析
• 第四個部分為剖析NIO的底層epoll的實現原理

---

 （老哥行行好，轉載和我說一聲好嗎，我不介意轉載的，但是請把原文鏈接貼大點好嗎）

 

從BIO到NIO

無論是BIO還是NIO，其實都算是一種IO模型，都是基於socket的編程，

而socket又分為兩種：文件型和網絡型（OS的知識，Linux的進程通訊就是socket實現的）

文件型可以簡單說成是本機的通訊，也就是本地進程間的通訊（我們訪問localhost應該算一個）

網絡型的話就是Client-Server了，例如瀏覽器訪問其他服務器上的網頁這種。

而聊天室屬於既可以在本機開兩個窗口聊天，也可以和互聯網上的其他主機進行聊天的那種。

所以接下來我們講的無論是BIO還是NIO，都可以當做一個聊天室這樣子去理解會簡單些。

 

BIO模型

首先我們先看一下BIO的網絡模型

可以看到，BIO屬於來一個新的連接，我們就新開一個線程來處理這個連接，之后的操作全部由那個線程來完成的那種。

那么，這個模式下的性能瓶頸在哪里呢？

• 首先，每次來一個連接都開一個新的線程這肯定是不合適的。當活躍連接數在幾十幾百的時候當然是可以這樣做的，但如果活躍連接數是幾萬幾十萬的時候，這么多線程明顯就不行了。每個線程都需要一部分內存，內存會被迅速消耗，同時，線程切換的開銷非常大。
• 其次，假如一個用戶只是登錄了聊天室，之后便不再做任何操作，而這個線程卻一直在那里循環等待用戶發送消息，等待write()，這顯然是非常耗費資源的。

因此人們便提出了NIO

 

NIO模型

 

非阻塞 IO 的核心在於使用一個 Selector 來管理多個通道，可以是 SocketChannel，也可以是 ServerSocketChannel，將各個通道注冊到 Selector 上，指定監聽的事件。

之后可以只用一個線程來輪詢這個 Selector，看看上面是否有通道是准備好的，當通道准備好可讀或可寫，然后才去開始真正的讀寫，這樣速度就很快了。我們就完全沒有必要給每個通道都起一個線程。

 

---

 

簡單例子介紹NIO的使用

這里只給出服務端的實現，代碼不難，建議貼到ide里面好好過一遍，也方便后續閱讀。

/**
 * NIO服務器端
 */
public class NioServer {

    private void start() throws IOException {
        // 1. 創建Selector
        Selector selector = Selector.open();

        // 2. 通過ServerSocketChannel創建channel通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 3. 為channel通道綁定監聽端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));

        // 4. 設置channel為非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 5. 將channel注冊到selector上，監聽連接事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服務器啟動成功！");

        // 6. 循環等待新接入的連接
        for (;;) {
            // 獲取可用channel數量
            int readyChannels = selector.select();

            if (readyChannels == 0) continue;

            // 獲取可用channel的集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {
                // selectionKey實例
                SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();

                iterator.remove();

                // 如果是 接入事件
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    acceptHandler(serverSocketChannel, selector);
                }

                // 如果是 可讀事件
                if (selectionKey.isReadable()) {
                    readHandler(selectionKey, selector);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 接入事件處理器
     */
    private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,
                               Selector selector)
            throws IOException {
        // 如果要是接入事件，創建socketChannel
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        // 將socketChannel設置為非阻塞工作模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 將channel注冊到selector上，監聽 可讀事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        // 回復客戶端提示信息
        socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8")
                .encode("你與聊天室里其他人都不是朋友關系，請注意隱私安全"));
    }

    /**
     * 可讀事件處理器
     */
    private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector)
            throws IOException {
        // 要從 selectionKey 中獲取到已經就緒的channel
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

        // 創建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 循環讀取客戶端請求信息
        String request = "";
        while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {

            // 切換buffer為讀模式
            byteBuffer.flip();

            // 讀取buffer中的內容
            request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer);
        }

        // 將channel再次注冊到selector上，監聽他的可讀事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        // 將客戶端發送的請求信息 廣播給其他客戶端
        if (request.length() > 0) {
            // 廣播給其他客戶端
            broadCast(selector, socketChannel, request);
        }
    }

    /**
     * 廣播給其他客戶端
     */
    private void broadCast(Selector selector,
                           SocketChannel sourceChannel, String request) {
        // 獲取到所有已接入的客戶端channel
        Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys();

        // 循環向所有channel廣播信息
        selectionKeySet.forEach(selectionKey -> {
            Channel targetChannel = selectionKey.channel();

            // 剔除發消息的客戶端
            if (targetChannel instanceof SocketChannel
                    && targetChannel != sourceChannel) {
                try {
                    // 將信息發送到targetChannel客戶端
                    ((SocketChannel) targetChannel).write(
                            Charset.forName("UTF-8").encode(request));
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
}

和上面的代碼一模一樣，但是這個有行號，方便閱讀：

/**
 * NIO服務器端
 */
public class NioServer {
    
    private void start() throws IOException {
        // 1. 創建Selector
        Selector selector = Selector.open();

        // 2. 通過ServerSocketChannel創建channel通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 3. 為channel通道綁定監聽端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));

        // 4. 設置channel為非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 5. 將channel注冊到selector上，監聽連接事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服務器啟動成功！");

        // 6. 循環等待新接入的連接
        for (;;) {
            // 獲取可用channel數量
            int readyChannels = selector.select();

            if (readyChannels == 0) continue;
            
            // 獲取可用channel的集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {
                // selectionKey實例
                SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();
                
                iterator.remove();
                
                // 如果是 接入事件
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    acceptHandler(serverSocketChannel, selector);
                }

                // 如果是 可讀事件
                if (selectionKey.isReadable()) {
                    readHandler(selectionKey, selector);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 接入事件處理器
     */
    private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,
                               Selector selector)
            throws IOException {
        // 如果要是接入事件，創建socketChannel
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        // 將socketChannel設置為非阻塞工作模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 將channel注冊到selector上，監聽 可讀事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        // 回復客戶端提示信息
        socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8")
                .encode("你與聊天室里其他人都不是朋友關系，請注意隱私安全"));
    }

    /**
     * 可讀事件處理器
     */
    private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector)
            throws IOException {
        // 要從 selectionKey 中獲取到已經就緒的channel
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

        // 創建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 循環讀取客戶端請求信息
        String request = "";
        while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {
            
            // 切換buffer為讀模式
            byteBuffer.flip();

            // 讀取buffer中的內容
            request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer);
        }

        // 將channel再次注冊到selector上，監聽他的可讀事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        // 將客戶端發送的請求信息 廣播給其他客戶端
        if (request.length() > 0) {
            // 廣播給其他客戶端
            broadCast(selector, socketChannel, request);
        }
    }

    /**
     * 廣播給其他客戶端
     */
    private void broadCast(Selector selector,
                           SocketChannel sourceChannel, String request) {
        // 獲取到所有已接入的客戶端channel
        Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys();

        // 循環向所有channel廣播信息
        selectionKeySet.forEach(selectionKey -> {
            Channel targetChannel = selectionKey.channel();

            // 剔除發消息的客戶端
            if (targetChannel instanceof SocketChannel
                    && targetChannel != sourceChannel) {
                try {
                    // 將信息發送到targetChannel客戶端
                    ((SocketChannel) targetChannel).write(
                            Charset.forName("UTF-8").encode(request));
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
}

 

---

 

NIO的三大組件

 

 通過1.2的NIO部分的那張圖和2.0的代碼，你應該大致知道NIO的其中兩大組件：Selector和Channel

 

這里這張圖隨手也把第三大組件Buffer也給了，接下來我們就先來聊一下這個Buffer

 

---

 

Buffer組件

首先看一眼Buffer種類（大同小異，大同小異）

 接下來講一下它的參數：

 

• capacity，它代表這個緩沖區的容量，一旦設定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 個 int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新寫入值。
• position 的初始值是 0，每往 Buffer 中寫入一個值，position 就自動加 1，代表下一次的寫入位置。讀操作的時候也是類似的，每讀一個值，position 就自動加 1。
• 從寫操作模式到讀操作模式切換的時候（flip），position 都會歸零，這樣就可以從頭開始讀寫了。
• Limit：寫操作模式下，limit 代表的是最大能寫入的數據，這個時候 limit 等於 capacity。寫結束后，切換到讀模式，此時的 limit 等於 Buffer 中實際的數據大小，因為 Buffer 不一定被寫滿了。

 

看一下剛剛例子中對Buffer的使用（82~94行）：

// 創建buffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

// 循環讀取客戶端請求信息
String request = "";
while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {

    // 切換buffer為讀模式
    byteBuffer.flip();

    // 讀取buffer中的內容
    request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer);
}

其中的flip方法，其實也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設置為實際寫入的數據數量
    position = 0; // 重置 position 為 0
    mark = -1; // mark 之后再說
    return this;
}

其他的read和write方法也不過是對三個參數的操作和讀取寫入buffer數組的綜合而已，這里就不一一分析（大同小異，大同小異）

其它的方法我也就不介紹了，要用的時候自己去查api就是了。

 

Channel組件

 

• FileChannel：文件通道，用於文件的讀和寫
• DatagramChannel：用於 UDP 連接的接收和發送
• SocketChannel：把它理解為 TCP 連接通道，簡單理解就是 TCP 客戶端
• ServerSocketChannel：TCP 對應的服務端，用於監聽某個端口進來的請求

 

Channel 經常翻譯為通道，類似 IO 中的流，用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時候將 Channel 中的數據填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的數據寫入到 Channel 中。 

 

這里是例子中對ServerSocketChannel的應用（10~17行）

// 2. 通過ServerSocketChannel創建channel通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

// 3. 為channel通道綁定監聽端口
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));

// 4. 設置channel為非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

還有就是對SocketChannel的應用（60~64行）

// 如果要是接入事件，創建socketChannel
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

// 將socketChannel設置為非阻塞工作模式
socketChannel.configureBlocking(false);

到這里，我們應該能理解 SocketChannel 了，它不僅僅是 TCP 客戶端，它代表的是一個網絡通道，可讀可寫。

而ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因為它並不實際處理數據，它一旦接收到請求后，實例化 SocketChannel，之后在這個連接通道上的數據傳遞它就不管了，因為它需要繼續監聽端口，等待下一個連接。

 

Selector組件

那么，整出Channel后該怎么辦呢？當然是把它注冊到Selector上了。

我們先整一個Selector出來（7~8行）：

// 1. 創建Selector
Selector selector = Selector.open();

然后把ServerSocketChannel注冊上去（16~21行）：

// 4. 設置channel為非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

// 5. 將channel注冊到selector上，監聽連接事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服務器啟動成功！");

這里可以看到注冊的另一個參數  SelectionKey.OP_ACCEPT ：

register 方法的第二個 int 型參數（使用二進制的標記位）用於表明需要監聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：

•  SelectionKey.OP_READ   對應 00000001，通道中有數據可以進行讀取

•  SelectionKey.OP_WRITE   對應 00000100，可以往通道中寫入數據

•  SelectionKey.OP_CONNECT   對應 00001000，成功建立 TCP 連接

•  SelectionKey.OP_ACCEPT   對應 00010000，接受 TCP 連接

 

 SocketChannel 同理：

// 如果要是接入事件，創建socketChannel
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

// 將socketChannel設置為非阻塞工作模式
socketChannel.configureBlocking(false);

// 將channel注冊到selector上，監聽 可讀事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

接下來就是循環檢測selector中有沒有准備好的channel了（23~31行）：

// 6. 循環等待新接入的連接
for (;;) {
    // 獲取可用channel數量
    int readyChannels = selector.select();

    if (readyChannels == 0) continue;

    // 獲取可用channel的集合
    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

這里只提一下select()方法

調用此方法，會將上次 select 之后的准備好的 channel 對應的 SelectionKey 復制到 selected set 中。如果沒有任何通道准備好，這個方法會阻塞，直到至少有一個通道准備好。

 下一篇：深入理解NIO（二）——  Tomcat中對NIO的應用

 

---

 

參考資料：

https://javadoop.com/post/java-nio  參考組件部分

https://www.imooc.com/learn/1118  參考圖片部分

http://www.mamicode.com/info-detail-2461800.html  參考圖片部分