Java NIO開發實例
最近一直在研究java nio，提出一點淺見，希望能和大家分享！！！廢話不多說了，直接進入主題！
首先了解下所謂的java nio是個什么東西！
傳統的并發型服務器設計是利用阻塞型網絡I/O 以多線程的模式來實現的，然而由于系統常常在進行網絡讀寫時處于阻塞狀態，會大大影響系統的性能；自Java1. 4 開始引入了NIO(新I/O) API，通過使用非阻塞型I/O，實現流暢的網絡讀寫操作，為開發高性能并發型服務器程序提供了一個很好的解決方案。這就是java nio
首先來看下傳統的阻塞型網絡I/O的不足
Java 平臺傳統的I/O 系統都是基于Byte（字節）和Stream（數據流）的，相應的I/O 操作都是阻塞型的，所以服務器程序也采用阻塞型I/O 進行數據的讀、寫操作。本文以TCP長連接模式來討論并發型服務器的相關設計，為了實現服務器程序的并發性要求，系統由一個單獨的主線程來監聽用戶發起的連接請求，一直處于阻塞狀態；當有用戶連接請求到來時，程序都會啟一個新的線程來統一處理用戶數據的讀、寫操作。
這種模式的優點是簡單、實用、易管理；然而缺點也是顯而易見的：由于是為每一個客戶端分配一個線程來處理輸入、輸出數據，其線程與客戶機的比例近似為1：1，隨著線程數量的不斷增加，服務器啟動了大量的并發線程，會大大加大系統對線程的管理開銷，這將成為吞吐量瓶頸的主要原因；其次由于底層的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務于請求的線程為單位的,有可能大量的線程會閑置,處于盲等狀態，造成I/O資源利用率不高，影響整個系統的性能。
對于并發型服務器，系統用在阻塞型I/O 等待和線程間切換的時間遠遠多于CPU 在內存中處理數據的時間，因此傳統的阻塞型I/O 已經成為制約系統性能的瓶頸。Java1.4 版本后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的異步輸入輸出機制，為提高系統的性能提供了可實現的基礎機制。
NIO 包及工作原理
針對傳統I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（緩沖區）、Channel（通道）、Selector（選擇器）的新模式；Selector（選擇器）、可選擇的Channel（通道）和SelectionKey（選擇鍵）配合起來使用，可以實現并發的非阻塞型I/O 能力。
NIO 工具包的成員
Buffer（緩沖器）
Buffer 類是一個抽象類，它有7 個子類分別對應于七種基本的數據類型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一個Buffer對象相當于一個數據容器，可以把它看作內存中的一個大的數組，用來存儲和提取所有基本類型(boolean 型除外)的數據。Buffer 類的核心是一塊內存區，可以直接對其執行與內存有關的操作，利用操作系統特性和能力提高和改善Java 傳統I/O 的性能。
Channel（通道）
Channel 被認為是NIO 工具包的一大創新點，是(Buffer)緩沖器和I/O 服務之間的通道，具有雙向性，既可以讀入也可以寫出，可以更高效的傳遞數據。我們這里主要討ServerSocketChannel 和SocketChannel，它們都繼承了SelectableChannel，是可選擇的通道，分別可以工作在同步和異步兩種方式下（這里的可選擇不是指可以選擇兩種工作方式，而是指可以有選擇的注冊自己感興趣的事件）。當通道工作在同步方式時，它的功能和編程方法與傳統的ServerSocket、Socket 對象相似；當通道工作在異步工作方式時，進行輸入輸出處理不必等到輸入輸出完畢才返回，并且可以將其感興趣的（如：接受操作、連接操作、讀出操作、寫入操作）事件注冊到Selector 對象上，與Selector 對象協同工作可以更有效率的支持和管理并發的網絡套接字連接。
Selector（選擇器）和SelectionKey（選擇鍵）
各類 Buffer 是數據的容器對象；各類Channel 實現在各類Buffer 與各類I/O 服務間傳輸數據。Selector 是實現并發型非阻塞I/O 的核心，各種可選擇的通道將其感興趣的事件注冊到Selector 對象上，Selector 在一個循環中不斷輪循監視這各些注冊在其上的Socket 通道。SelectionKey 類則封裝了SelectableChannel 對象在Selector 中的注冊信息。當Selector 監測到在某個注冊的SelectableChannel 上發生了感興趣的事件時,自動激活產生一個SelectionKey對象,在這個對象中記錄了哪一個SelectableChannel 上發生了哪種事件，通過對被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每個SelectableChannel 發生的具體事件類型,進行相應的處理。
NIO 工作原理
通過上面的討論，我們可以看出在并發型服務器程序中使用NIO，實際上是通過網絡事件驅動模型實現的。我們應用Select 機制，不用為每一個客戶端連接新啟線程處理，而是將其注冊到特定的Selector 對象上，這就可以在單線程中利用Selector 對象管理大量并發的網絡連接，更好的利用了系統資源；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，從而減少了管理I/O 連接導致的系統開銷，大幅度提高了系統性能。
當有讀或寫等任何注冊的事件發生時，可以從Selector 中獲得相應的SelectionKey ， 從SelectionKey 中可以找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發送過來的數據。由于在非阻塞網絡I/O 中采用了事件觸發機制，處理程序可以得到系統的主動通知，從而可以實現底層網絡I/O 無阻塞、流暢地讀寫，而不像在原來的阻塞模式下處理程序需要不斷循環等待。使用NIO，可以編寫出性能更好、更易擴展的并發型服務器程序。
并發型服務器程序的實現代碼
應用 NIO 工具包，基于非阻塞網絡I/O 設計的并發型服務器程序與以往基于阻塞I/O 的實現程序有很大不同，在使用非阻塞網絡I/O 的情況下，程序讀取數據和寫入數據的時機不是由程序員控制的，而是Selector 決定的。下面便給出基于非阻塞網絡I/O 的并發型服務器程序的核心代碼片段：
- 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
- {
- /**
- * 服務器Channel對象，負責接受用戶連接
- */
- private ServerSocketChannel server；
- /**
- * Selector對象，負責監控所有的連接到服務器的網絡事件的發生
- */
- private Selector selector；
- /**
- * 總的活動連接數
- */
- private int activeSockets；
- /**
- * 服務器Channel綁定的端口號
- */
- private int port ；
- /**
- *
- * 構造函數
- */
- public TestServer()throws IOException
- {
- activeSockets=0；
- port=9999；//初始化服務器Channel綁定的端口號為9999
- selector= Selector.open()；//初始化Selector對象
- server=ServerSocketChannel.open()；//初始化服務器Channel對象
- ServerSocket socket=server.socket()；//獲取服務器Channel對應的//ServerSocket對象
- socket.bind(new InetSocketAddress(port))；//把Socket綁定到監聽端口9999上
- server.configureBlocking(false)；//將服務器Channel設置為非阻塞模式
- server.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT)；//將服務器Channel注冊到
- Selector對象，并指出服務器Channel所感興趣的事件為可接受請求操作
- }
- public void run()
- {
- while(true)
- {
- try
- {
- /**
- *應用Select機制輪循是否有用戶感興趣的新的網絡事件發生，當沒有
- * 新的網絡事件發生時，此方法會阻塞，直到有新的網絡事件發生為止
- */
- selector.select()；
- }
- catch(IOException e)
- {
- continue；//當有異常發生時，繼續進行循環操作
- }
- /**
- * 得到活動的網絡連接選擇鍵的集合
- */
- Set<SelectionKey> keys=selector.selectedKeys()；
- activeSockets=keys.size()；//獲取活動連接的數目
- if(activeSockets==0)
- {
- continue；//如果連接數為0，則繼續進行循環操作
- }
- /**
- /**
- * 應用For—Each循環遍歷整個選擇鍵集合
- */
- for(SelectionKey key :keys)
- {
- /**
- * 如果關鍵字狀態是為可接受，則接受連接，注冊通道，以接受更多的*
- 事件，進行相關的服務器程序處理
- */
- if(key.isAcceptable())
- {
- doServerSocketEvent(key)；
- continue；
- }
- /**
- * 如果關鍵字狀態為可讀，則說明Channel是一個客戶端的連接通道，
- * 進行相應的讀取客戶端數據的操作
- */
- if(key.isReadable())
- {
- doClientReadEvent(key)；
- continue；
- }
- /**
- * 如果關鍵字狀態為可寫，則也說明Channel是一個客戶端的連接通道，
- * 進行相應的向客戶端寫數據的操作
- */
- if(key.isWritable())
- {
- doClinetWriteEvent(key)；
- continue；
- }
- }
- }
- }
- /**
- * 處理服務器事件操作
- * @param key 服務器選擇鍵對象
- */
- private void doServerSocketEvent(SelectionKey key)
- {
- SocketChannel client=null；
- try
- {
- ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel)key.channel()；
- client=server.accept()；
- if(client==null)
- {
- return；
- }
- client.configureBlocking(false)；//將客戶端Channel設置為非阻塞型
- /**
- /**
- * 將客戶端Channel注冊到Selector對象上，并且指出客戶端Channel所感
- * 興趣的事件為可讀和可寫
- */
- client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ)；
- }catch(IOException e)
- {
- try
- {
- client.close()；
- }catch(IOException e1){}
- }
- }
- /**
- * 進行向客戶端寫數據操作
- * @param key 客戶端選擇鍵對象
- */
- private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key)
- {
- 代碼實現略；
- }
- /**
- * 進行讀取客戶短數據操作
- * @param key 客戶端選擇鍵對象
- */
- private void doClientReadEvent(SelectionKey key)
- {
- 代碼實現略；
- }
- }
從上面對代碼可以看出，使用非阻塞性I/O進行并發型服務器程序設計分三個部分：1.向Selector對象注冊感興趣的事件；2.從Selector中獲取所感興趣的事件；3.根據不同的事件進行相應的處理。
結 語
通過使用NIO 工具包進行并發型服務器程序設計，一個或者很少幾個Socket 線程就可以處理成千上萬個活動的Socket 連接，大大降低了服務器端程序的開銷；同時網絡I/O 采取非阻塞模式，線程不再在讀或寫時阻塞，操作系統可以更流暢的讀寫數據并可以更有效地向CPU 傳遞數據進行處理，以便更有效地提高系統的性能。
原文鏈接：http://androidssh.iteye.com/blog/797910
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