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  • java nio详解

    NIO简介

    NIO是一种同步非阻塞的I/O模型,在Java 1.4 中引入了NIO框架,对应 java.nio 包,提供了 Channel , Selector,Buffer等抽象。

    NIO中的N可以理解为Non-blocking,不单纯是New。它支持面向缓冲的,基于通道的I/O操作方法。 NIO提供了与传统BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现,两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的支持一样,比较简单,但是性能和可靠性都不好;非阻塞模式正好与之相反。对于低负载、低并发的应用程序,可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性;对于高负载、高并发的(网络)应用,应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

    NIO的特性/NIO与IO区别

    如果是在面试中回答这个问题,我觉得首先肯定要从 NIO 流是非阻塞 IO 而 IO 流是阻塞 IO 说起。然后,可以从 NIO 的3个核心组件/特性为 NIO 带来的一些改进来分析。如果,你把这些都回答上了我觉得你对于 NIO 就有了更为深入一点的认识,面试官问到你这个问题,你也能很轻松的回答上来了。

    1、Non-blocking IO(非阻塞IO)

    IO流是阻塞的,NIO流是不阻塞的。

    Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说,单线程中从通道读取数据到buffer,同时可以继续做别的事情,当数据读取到buffer中后,线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外,非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。

    Java IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了

    2、Buffer(缓冲区)

    IO 面向流(Stream oriented),而 NIO 面向缓冲区(Buffer oriented)。

    Buffer是一个对象,它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象,体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中·可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类,但只是流的包装类,还是从流读到缓冲区,而 NIO 却是直接读到 Buffer 中进行操作。

    在NIO厍中,所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时,写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据,都是通过缓冲区进行操作。

    最常用的缓冲区是 ByteBuffer,一个 ByteBuffer 提供了一组功能用于操作 byte 数组。除了ByteBuffer,还有其他的一些缓冲区,事实上,每一种Java基本类型(除了Boolean类型)都对应有一种缓冲区。

    3、Channel (通道)

    NIO 通过Channel(通道) 进行读写。

    通道是双向的,可读也可写,而流的读写是单向的。无论读写,通道只能和Buffer交互。因为 Buffer,通道可以异步地读写。

    4、Selector (选择器)

    NIO有选择器,而IO没有。
    选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此,它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此,为了提高系统效率选择器是有用的。

    NIO 读数据和写数据方式

    通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel(通道) 开始的。

    • 从通道进行数据读取 :创建一个缓冲区,然后请求通道读取数据。
    • 从通道进行数据写入 :创建一个缓冲区,填充数据,并要求通道写入数据。

    数据读取和写入操作图示:

    NIO核心组件简单介绍

    NIO 包含下面几个核心的组件:

    • Channel(通道)
    • Buffer(缓冲区)
    • Selector(选择器)

    整个NIO体系包含的类远远不止这三个,只能说这三个是NIO体系的“核心API”。我们上面已经对这三个概念进行了基本的阐述,这里就不多做解释了。

    代码示例

    public class NIOTest {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            // 1. serverSelector负责轮询是否有新的连接,服务端监测到新的连接之后,不再创建一个新的线程,
            // 而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样就不用 IO 模型中 1w 个 while 循环在死等
            Selector serverSelector = Selector.open();
            // 2. clientSelector负责轮询连接是否有数据可读
            Selector clientSelector = Selector.open();
            new Thread(() -> {
                try {
                    // 对应IO编程中服务端启动
                    ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
                    listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
                    listenerChannel.configureBlocking(false);
                    listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
                    while (true) {
                        // 监测是否有新的连接,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                        if (serverSelector.select(1) > 0) {
                            Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
                            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
    
                            while (keyIterator.hasNext()) {
                                SelectionKey key = keyIterator.next();
    
                                if (key.isAcceptable()) {
                                    try {
                                        // (1) 每来一个新连接,不需要创建一个线程,而是直接注册到clientSelector
                                        SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                                        clientChannel.configureBlocking(false);
                                        clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                    } finally {
                                        keyIterator.remove();
                                    }
                                }
    
                            }
                        }
                    }
                } catch (IOException ignored) {
                }
            }).start();
            new Thread(() -> {
                try {
                    while (true) {
                        // (2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                        if (clientSelector.select(1) > 0) {
                            Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
                            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
    
                            while (keyIterator.hasNext()) {
                                SelectionKey key = keyIterator.next();
    
                                if (key.isReadable()) {
                                    try {
                                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                        // (3) 面向 Buffer
                                        clientChannel.read(byteBuffer);
                                        byteBuffer.flip();
                                        System.out.println(
                                                Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer).toString());
                                    } finally {
                                        keyIterator.remove();
                                        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                    }
                                }
    
                            }
                        }
                    }
                } catch (IOException ignored) {
                }
            }).start();
    
        }
    }

    为什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 进行开发呢?从上面的代码中大家都可以看出来,是真的难用!除了编程复杂、编程模型难之外,它还有以下让人诟病的问题:

    • JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现,该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100%
    • 项目庞大之后,自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug,维护成本较高,上面这一坨代码我都不能保证没有 bug

    Netty 的出现很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题。

     

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