BIO與NIO比較及例子

阿新 • • 發佈：2019-01-20

java NIO的工作原理：
1. 由一個專門的執行緒來處理所有的 IO 事件，並負責分發。
2. 事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。
3. 執行緒通訊：執行緒之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的執行緒切換。

如下圖：一個執行緒Reactor用來處理所有io,並分發read、write等事件

（本圖來自網際網路）

三：結合網際網路的例子進行分析NIO：

1、先看例子的原始碼，不妨debug除錯下

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

public class NIOServer {
	
	/*標識數字*/
	private  int flag = 0;
	/*緩衝區大小*/
	private  int BLOCK = 4096;
	/*接受資料緩衝區*/
	private  ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
	/*傳送資料緩衝區*/
	private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
	private  Selector selector;

	public NIOServer(int port) throws IOException {
		// 1、開啟伺服器套接字通道
		ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
		// 伺服器配置為非阻塞
		serverSocketChannel.configureBlocking(false);
		// 檢索與此通道關聯的伺服器套接字
		ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
		//2、 進行服務的繫結
		serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
		//3、 通過open()方法找到Selector
		selector = Selector.open();
		//4、註冊到selector，等待連線
		serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		System.out.println("Server Start----8888:");
	}


	// 監聽
	private void listen() throws IOException {
		while (true) {
			// 選擇一組鍵，並且相應的通道已經開啟
			selector.select();
			// 返回此選擇器的已選擇鍵集。
			Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
			Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
			//5 輪詢就緒的key
			while (iterator.hasNext()) {		
				SelectionKey selectionKey = iterator.next();
				iterator.remove();
				handleKey(selectionKey);
			}
		}
	}

	// 處理請求
	private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
		// 接受請求
		ServerSocketChannel server = null;
		SocketChannel client = null;
		String receiveText;
		String sendText;
		int count=0;
		// 測試此鍵的通道是否已準備好接受新的套接字連線。
		//步驟6 handle connect 處理新的客戶接入
		if (selectionKey.isAcceptable()) {
			// 返回為之建立此鍵的通道。
			//步驟7 設定新建連線的socket
			server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
			// 接受到此通道套接字的連線。
			// 此方法返回的套接字通道（如果有）將處於阻塞模式。
			client = server.accept();
			// 配置為非阻塞
			client.configureBlocking(false);
			//步驟8   註冊到selector，等待連線
			client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		} else if (selectionKey.isReadable()) {//步驟9：非同步處理請求訊息到ByteBuffer()，程式碼中沒有步驟10
			// 返回為之建立此鍵的通道。
			client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
			//將緩衝區清空以備下次讀取
			receivebuffer.clear();
			//讀取伺服器傳送來的資料到緩衝區中
			count = client.read(receivebuffer);	
			if (count > 0) {
				receivebuffer.flip();
				byte[] bytes = new byte[receivebuffer.remaining()];
				receivebuffer.get(bytes);
				receiveText = new String(bytes,"utf-8");
				System.out.println("伺服器端接受客戶端資料--:"+receiveText);
				client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
			}
		} else if (selectionKey.isWritable()) {//步驟11 非同步寫
			//將緩衝區清空以備下次寫入
			sendbuffer.clear();
			// 返回為之建立此鍵的通道。
			client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
			sendText="message from server--" + flag++;
			//向緩衝區中輸入資料
			sendbuffer.put(sendText.getBytes());
			 //將緩衝區各標誌復位,因為向裡面put了資料標誌被改變要想從中讀取資料發向伺服器,就要復位
			sendbuffer.flip();
			//輸出到通道
			client.write(sendbuffer);
			System.out.println("伺服器端向客戶端傳送資料--："+sendText);
			client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		}
	}

	/**
	 * @param args
	 * @throws IOException
	 */
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		// TODO Auto-generated method stub
		int port = 8888;
		NIOServer server = new NIOServer(port);
		server.listen();
	}
}

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

public class NIOClient {

	/*標識數字*/
	private static int flag = 0;
	/*緩衝區大小*/
	private static int BLOCK = 4096;
	/*接受資料緩衝區*/
	private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
	/*傳送資料緩衝區*/
	private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
	/*伺服器端地址*/
	private final static InetSocketAddress SERVER_ADDRESS = new InetSocketAddress(
			"localhost", 8888);

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		// TODO Auto-generated method stub
		//步驟1  開啟socket的通道socketChannel
		SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
		//步驟2  設定為非阻塞方式，同時設定tcp引數
		socketChannel.configureBlocking(false);
		Selector selector = null;
		
		
		// 非同步連線伺服器
		if (socketChannel.connect(SERVER_ADDRESS)) {
			
		}
		else {
			//步驟5  註冊連線服務端socket動作
			selector = Selector.open();
	        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
		}	
		// 分配緩衝區大小記憶體
		
		
		Set<SelectionKey> selectionKeys;
		Iterator<SelectionKey> iterator;
		SelectionKey selectionKey;
		SocketChannel client;
		String receiveText;
		String sendText;
		int count=0;
               //步驟6 啟動執行緒
		while (true) {
			//選擇一組鍵，其相應的通道已為 I/O 操作準備就緒。
			//此方法執行處於阻塞模式的選擇操作。
			int ret = selector.select();
			//System.out.println(ret);
			
			//返回此選擇器的已選擇鍵集。
			selectionKeys = selector.selectedKeys();
			//System.out.println(selectionKeys.size());
			iterator = selectionKeys.iterator();
			while (iterator.hasNext()) {//7 輪詢就緒的key
				selectionKey = iterator.next();
				//4  判斷連線結果，如果連線成功，跳到步驟10，如果不成功，執行步驟5
				if (selectionKey.isConnectable()) {
					System.out.println("client connect");
					client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
					// 判斷此通道上是否正在進行連線操作。
					// 完成套接字通道的連線過程。8 handle connect()
					if (client.isConnectionPending()) {
						client.finishConnect();//9 判斷連線完成，完成連線
						System.out.println("完成連線!");
						sendbuffer.clear();
						sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());
						sendbuffer.flip();
						client.write(sendbuffer);
					}
					//步驟10 向多路複用器註冊 OP_READ
					client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
				} else if (selectionKey.isReadable()) {//步驟11 handle read() 非同步讀請求訊息到ByteBuffer
					client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
					//將緩衝區清空以備下次讀取
					receivebuffer.clear();
					//讀取伺服器傳送來的資料到緩衝區中
					count=client.read(receivebuffer);
					if(count>0){
						receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
						System.out.println("客戶端接受伺服器端資料--:"+receiveText);
						client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
					}

				} else if (selectionKey.isWritable()) {//步驟13  非同步寫ByteBuffer到SocketChannel
					sendbuffer.clear();
					client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
					sendText = "message from client--" + (flag++);
					sendbuffer.put(sendText.getBytes());
					 //將緩衝區各標誌復位,因為向裡面put了資料標誌被改變要想從中讀取資料發向伺服器,就要復位
					sendbuffer.flip();
					client.write(sendbuffer);
					System.out.println("客戶端向伺服器端傳送資料--："+sendText);
					client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
				}
			}
			selectionKeys.clear();
		}
	}
}

2、程式碼可用如下圖說明(圖片來自：http://www.open-open.com/lib/view/open1403057331075.html)

注意：通過debug可以發現Server端handle read後，就直接進行了步驟13，非同步寫操作，這是因為在步驟11進行了write的註冊，因此它不需要client的觸發，這就是selector輪詢的作用。

按照Reactor模式設計和實現，它的服務端通訊序列圖如下：

客戶端通訊序列圖如下：

客戶端步驟4-6的標註有些牽強，其實在大的程式中是這樣的，如hadoop的ipc程式碼中就是這樣，稍後文章會講解hadoop如何使用nio進行rpc通訊。

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