Java NIO非堵塞應用通常適用用在I/O讀寫等方面,我們知道,系統運行的性能瓶頸通常在I/O讀寫,包括對端口和文件的操作上,過去,在打開一個I/O通道后,read()將一直等待在端口一邊讀取字節內容,如果沒有內容進來,read()也是傻傻的等,這會影響我們程序繼續做其他事情,那么改進做法就是開設線程,讓線程去等待,但是這樣做也是相當耗費資源的。
Java NIO非堵塞技術實際是采取Reactor模式,或者說是Observer模式為我們監察I/O端口,如果有內容進來,會自動通知我們,這樣,我們就不必開啟多個線程死等,從外界看,實現了流暢的I/O讀寫,不堵塞了。
Java NIO出現不只是一個技術性能的提高,你會發現網絡上到處在介紹它,因為它具有里程碑意義,從JDK1.4開始,Java開始提高性能相關的功能,從而使得Java在底層或者并行分布式計算等操作上已經可以和C或Perl等語言并駕齊驅。
如果你至今還是在懷疑Java的性能,說明你的思想和觀念已經完全落伍了,Java一兩年就應該用新的名詞來定義。從JDK1.5開始又要提供關于線程、并發等新性能的支持,Java應用在游戲等適時領域方面的機會已經成熟,Java在穩定自己中間件地位后,開始蠶食傳統C的領域。
本文主要簡單介紹NIO的基本原理,在下一篇文章中,將結合Reactor模式和著名線程大師Doug Lea的一篇文章深入討論。
NIO主要原理和適用。
NIO 有一個主要的類Selector,這個類似一個觀察者,只要我們把需要探知的socketchannel告訴Selector,我們接著做別的事情,當有事件發生時,他會通知我們,傳回一組SelectionKey,我們讀取這些Key,就會獲得我們剛剛注冊過的socketchannel,然后,我們從這個Channel中讀取數據,放心,包準能夠讀到,接著我們可以處理這些數據。
Selector內部原理實際是在做一個對所注冊的channel的輪詢訪問,不斷的輪詢(目前就這一個算法),一旦輪詢到一個channel有所注冊的事情發生,比如數據來了,他就會站起來報告,交出一把鑰匙,讓我們通過這把鑰匙來讀取這個channel的內容。
了解了這個基本原理,我們結合代碼看看使用,在使用上,也在分兩個方向,一個是線程處理,一個是用非線程,后者比較簡單,看下面代碼:
import java.io.*; import java.nio.*; import java.nio.channels.*; import java.nio.channels.spi.*; import java.net.*; import java.util.*;
/** * * @author Administrator * @version */ public class NBTest { /** Creates new NBTest */ public NBTest() { }
public void startServer() throws Exception { int channels = 0; int nKeys = 0; int currentSelector = 0;
//使用Selector Selector selector = Selector.open();
//建立Channel 并綁定到9000端口 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),9000); ssc.socket().bind(address);
//使設定non-blocking的方式。 ssc.configureBlocking(false); //向Selector注冊Channel及我們有興趣的事件 SelectionKey s = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); printKeyInfo(s); while(true) //不斷的輪詢 { debug("NBTest: Starting select");
//Selector通過select方法通知我們我們感興趣的事件發生了。 nKeys = selector.select(); //如果有我們注冊的事情發生了,它的傳回值就會大于0 if(nKeys > 0) { debug("NBTest: Number of keys after select operation: " +nKeys);
//Selector傳回一組SelectionKeys //我們從這些key中的channel()方法中取得我們剛剛注冊的channel。 Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator i = selectedKeys.iterator(); while(i.hasNext()) { s = (SelectionKey) i.next(); printKeyInfo(s); debug("NBTest: Nr Keys in selector: " +selector.keys().size());
//一個key被處理完成后,就都被從就緒關鍵字(ready keys)列表中除去 i.remove(); if(s.isAcceptable()) { // 從channel()中取得我們剛剛注冊的channel。 Socket socket = ((ServerSocketChannel)s.channel()).accept().socket(); SocketChannel sc = socket.getChannel();
sc.configureBlocking(false); sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE); System.out.println(++channels); } else { debug("NBTest: Channel not acceptable"); } } } else { debug("NBTest: Select finished without any keys."); } }
} private static void debug(String s) { System.out.println(s); }
private static void printKeyInfo(SelectionKey sk) { String s = new String();
s = "Att: " + (sk.attachment() == null ? "no" : "yes"); s += ", Read: " + sk.isReadable(); s += ", Acpt: " + sk.isAcceptable(); s += ", Cnct: " + sk.isConnectable(); s += ", Wrt: " + sk.isWritable(); s += ", Valid: " + sk.isValid(); s += ", Ops: " + sk.interestOps(); debug(s); } /** * @param args the command line arguments */ public static void main (String args[]) { NBTest nbTest = new NBTest(); try { nbTest.startServer(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); } }
}
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這是一個守候在端口9000的noblock server例子,如果我們編制一個客戶端程序,就可以對它進行互動操作,或者使用telnet 主機名 90000 可以鏈接上。
當前分布式計算 Web Services盛行天下,這些網絡服務的底層都離不開對socket的操作。他們都有一個共同的結構:
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply
經典的網絡服務的設計如下圖,在每個線程中完成對數據的處理:

但這種模式在用戶負載增加時,性能將下降非常的快。我們需要重新尋找一個新的方案,保持數據處理的流暢,很顯然,事件觸發機制是最好的解決辦法,當有事件發生時,會觸動handler,然后開始數據的處理。
Reactor模式類似于AWT中的Event處理:

Reactor模式參與者
1.Reactor 負責響應IO事件,一旦發生,廣播發送給相應的Handler去處理,這類似于AWT的thread
2.Handler 是負責非堵塞行為,類似于AWT ActionListeners;同時負責將handlers與event事件綁定,類似于AWT addActionListener
如圖:

Java的NIO為reactor模式提供了實現的基礎機制,它的Selector當發現某個channel有數據時,會通過SlectorKey來告知我們,在此我們實現事件和handler的綁定。
我們來看看Reactor模式代碼:
public class Reactor implements Runnable{
final Selector selector; final ServerSocketChannel serverSocket;
Reactor(int port) throws IOException { selector = Selector.open(); serverSocket = ServerSocketChannel.open(); InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port); serverSocket.socket().bind(address);
serverSocket.configureBlocking(false); //向selector注冊該channel SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
logger.debug("-->Start serverSocket.register!");
//利用sk的attache功能綁定Acceptor 如果有事情,觸發Acceptor sk.attach(new Acceptor()); logger.debug("-->attach(new Acceptor()!"); } public void run() { // normally in a new Thread try { while (!Thread.interrupted()) { selector.select(); Set selected = selector.selectedKeys(); Iterator it = selected.iterator(); //Selector如果發現channel有OP_ACCEPT或READ事件發生,下列遍歷就會進行。 while (it.hasNext()) //來一個事件 第一次觸發一個accepter線程 //以后觸發SocketReadHandler dispatch((SelectionKey)(it.next())); selected.clear(); } }catch (IOException ex) { logger.debug("reactor stop!"+ex); } }
//運行Acceptor或SocketReadHandler void dispatch(SelectionKey k) { Runnable r = (Runnable)(k.attachment()); if (r != null){ // r.run(); } } class Acceptor implements Runnable { // inner public void run() { try { logger.debug("-->ready for accept!"); SocketChannel c = serverSocket.accept(); if (c != null) //調用Handler來處理channel new SocketReadHandler(selector, c); } catch(IOException ex) { logger.debug("accept stop!"+ex); } } } }
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以上代碼中巧妙使用了SocketChannel的attach功能,將Hanlder和可能會發生事件的channel鏈接在一起,當發生事件時,可以立即觸發相應鏈接的Handler。
再看看Handler代碼:
public class SocketReadHandler implements Runnable {
public static Logger logger = Logger.getLogger(SocketReadHandler.class); private Test test=new Test(); final SocketChannel socket; final SelectionKey sk;
static final int READING = 0, SENDING = 1; int state = READING; public SocketReadHandler(Selector sel, SocketChannel c) throws IOException { socket = c; socket.configureBlocking(false); sk = socket.register(sel, 0); //將SelectionKey綁定為本Handler 下一步有事件觸發時,將調用本類的run方法。 //參看dispatch(SelectionKey k) sk.attach(this);
//同時將SelectionKey標記為可讀,以便讀取。 sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); sel.wakeup(); } public void run() { try{ // test.read(socket,input); readRequest() ; }catch(Exception ex){ logger.debug("readRequest error"+ex); } } /** * 處理讀取data * @param key * @throws Exception */ private void readRequest() throws Exception {
ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024); input.clear(); try{ int bytesRead = socket.read(input); ...... //激活線程池 處理這些request requestHandle(new Request(socket,btt)); ..... }catch(Exception e) { }
}
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注意在Handler里面又執行了一次attach,這樣,覆蓋前面的Acceptor,下次該Handler又有READ事件發生時,將直接觸發Handler.從而開始了數據的讀 處理 寫 發出等流程處理。
將數據讀出后,可以將這些數據處理線程做成一個線程池,這樣,數據讀出后,立即扔到線程池中,這樣加速處理速度:
更進一步,我們可以使用多個Selector分別處理連接和讀事件。
一個高性能的Java網絡服務機制就要形成,激動人心的集群并行計算即將實現。
Scalable IO in Java原文
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