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Java阻塞IO与非阻塞IO

2016-12-20 13:13| 发布者: zhangjf| 查看: 471| 评论: 0

摘要: IO: IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现，底层通过 I/O 指令进行完成。 阻塞与非阻塞: 一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。 ...

IO:
IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现，底层通过 I/O 指令进行完成。

阻塞与非阻塞:
一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？

司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 ) 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )
很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

阻塞式I/O：(传统的IO)
以网络应用为例，在传统IO方式（阻塞IO）中需要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务（服务通常包括了处理请求并发送响应）下图是服务器的生命周期图，其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。
Java阻塞IO与非阻塞IO
此方式在遇到多请求时，只能等待前面的请求完成后才能处理新的请求，所以通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程（大量的线程）。代码如下

  1. public class TCPServer {
  2. public static void main(String[] args) {
  3. try {
  4. ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
  5. System.out.println("server start...");
  6. while (true) {
  7. Socket s = ss.accept();
  8. new LogicThread(s);//开一个线程来处理请求，这里面调用InputStream.read()读取请求信息
  9. }
  11. } catch (Exception e) {
  12. e.printStackTrace();
  13. }
  14. }
  15. }
复制代码

可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocket

  1. ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；
复制代码

然后接受新的连接请求

  1. Socket newConnection=server.accept（）；//阻塞
复制代码

在LogicThread中处理请求

  1. InputStream in = newConnection.getInputStream();
  2. InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
  3. BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
  4. Request request = new Request();
  5. while(!request.isComplete()) {
  6. String line = buffer.readLine();//阻塞
  7. request.addLine(line);
  8. }
复制代码

生命周期如下图所示：
Java阻塞IO与非阻塞IO

传统IO方式（阻塞I/O）在调用InputStream.read()/buffer.readLine()方法时是阻塞的，它会一直等到数据到来或缓冲区已满时或超时时才会返回，并且产生了大量String类型垃圾，尽管可以使用StringBuffer优化；同样，在调用ServerSocket.accept()方法时，也会一直阻塞到有客户端连接才会返回，每个客户端连接过来后，服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。并且多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些 CPU 时间。每个线程遇到外部未准备好的时候，都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听某一个端口，一天只会有几次请求进来，但是该 cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试，大部分的切换以阻塞告终。

非阻塞式I/O（NIO）:也可以说成“New I/O”
核心类：
1.Buffer 为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。
2.Charset 字符集编码解码解决方案
3.Channel 一个新的原始 I/O 抽象，用于读写Buffer类型，通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下
Java阻塞IO与非阻塞IO
图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader
4.Selector
在过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。

下面是java NIO的工作原理：

由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。 事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。
如下图所示：
Java阻塞IO与非阻塞IO
（注：每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。）

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向的流（stream），在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件：
服务端接收客户端连接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件 SelectionKey.OP_READ(1)
写事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)
服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。
Java阻塞IO与非阻塞IO
完整的非阻塞IO实例

  1. /**
  2. * NIO服务端
  3. */
  4. public class NIOServer {
  5. //通道管理器
  6. private Selector selector;
  8. /**
  9. * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
  10. * @param port 绑定的端口号
  11. * @throws IOException
  12. */
  13. public void initServer(int port) throws IOException {
  14. // 获得一个ServerSocket通道
  15. ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
  16. // 设置通道为非阻塞
  17. serverChannel.configureBlocking(false);
  18. // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
  19. serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
  20. // 获得一个通道管理器
  21. this.selector = Selector.open();
  22. //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
  23. //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
  24. serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  25. }
  27. /**
  28. * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
  29. * @throws IOException
  30. */
  31. @SuppressWarnings("unchecked")
  32. public void listen() throws IOException {
  33. System.out.println("服务端启动成功！");
  34. // 轮询访问selector
  35. while (true) {
  36. //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
  37. selector.select();
  38. // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
  39. Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
  40. while (ite.hasNext()) {
  41. SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
  42. // 删除已选的key,以防重复处理
  43. ite.remove();
  44. // 客户端请求连接事件
  45. if (key.isAcceptable()) {
  46. ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
  47. .channel();
  48. // 获得和客户端连接的通道
  49. SocketChannel channel = server.accept();
  50. // 设置成非阻塞
  51. channel.configureBlocking(false);
  53. //在这里可以给客户端发送信息哦
  54. channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
  55. //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
  56. channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
  58. // 获得了可读的事件
  59. } else if (key.isReadable()) {
  60. read(key);
  61. }
  63. }
  65. }
  66. }
  67. /**
  68. * 处理读取客户端发来的信息 的事件
  69. * @param key
  70. * @throws IOException
  71. */
  72. public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  73. // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
  74. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  75. // 创建读取的缓冲区
  76. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  77. channel.read(buffer);
  78. byte[] data = buffer.array();
  79. String msg = new String(data).trim();
  80. System.out.println("服务端收到信息："+msg);
  81. ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  82. channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
  83. }
  85. /**
  86. * 启动服务端测试
  87. * @throws IOException
  88. */
  89. public static void main(String[] args) throws IOException {
  90. NIOServer server = new NIOServer();
  91. server.initServer(8000);
  92. server.listen();
  93. }
  95. }
  99. /**
  100. * NIO客户端
  101. */
  102. public class NIOClient {
  103. //通道管理器
  104. private Selector selector;
  106. /**
  107. * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
  108. * @param ip 连接的服务器的ip
  109. * @param port 连接的服务器的端口号
  110. * @throws IOException
  111. */
  112. public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
  113. // 获得一个Socket通道
  114. SocketChannel channel = SocketChannel.open();
  115. // 设置通道为非阻塞
  116. channel.configureBlocking(false);
  117. // 获得一个通道管理器
  118. this.selector = Selector.open();
  120. // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
  121. //用channel.finishConnect();才能完成连接
  122. channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
  123. //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
  124. channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  125. }
  127. /**
  128. * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
  129. * @throws IOException
  130. */
  131. @SuppressWarnings("unchecked")
  132. public void listen() throws IOException {
  133. // 轮询访问selector
  134. while (true) {
  135. selector.select();
  136. // 获得selector中选中的项的迭代器
  137. Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
  138. while (ite.hasNext()) {
  139. SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
  140. // 删除已选的key,以防重复处理
  141. ite.remove();
  142. // 连接事件发生
  143. if (key.isConnectable()) {
  144. SocketChannel channel = (SocketChannel) key
  145. .channel();
  146. // 如果正在连接，则完成连接
  147. if(channel.isConnectionPending()){
  148. channel.finishConnect();
  150. }
  151. // 设置成非阻塞
  152. channel.configureBlocking(false);
  154. //在这里可以给服务端发送信息哦
  155. channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
  156. //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
  157. channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
  159. // 获得了可读的事件
  160. } else if (key.isReadable()) {
  161. read(key);
  162. }
  164. }
  166. }
  167. }
  168. /**
  169. * 处理读取服务端发来的信息 的事件
  170. * @param key
  171. * @throws IOException
  172. */
  173. public void read(SelectionKey key) throws IOException{
  174. // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
  175. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
  176. // 创建读取的缓冲区
  177. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  178. channel.read(buffer);
  179. byte[] data = buffer.array();
  180. String msg = new String(data).trim();
  181. System.out.println("客户端收到信息："+msg);
  182. // ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  183. // channel.write(outBuffer);// 将消息回送给服务器端
  184. }
  187. /**
  188. * 启动客户端测试
  189. * @throws IOException
  190. */
  191. public static void main(String[] args) throws IOException {
  192. NIOClient client = new NIOClient();
  193. client.initClient("localhost",8000);
  194. client.listen();
  195. }
  197. }
复制代码

参考；
http://www.iteye.com/topic/834447
http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656
http://www.360doc.com/content/12/0604/15/9579107_215842144.shtml

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