一文详解 | Java 中 NIO基础详解

Netty 是基于Java NIO 封装的网络通讯框架,只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底层设计。Java NIO 由三个核心组件组件:

  • Buffer
  • Channel
  • Selector

缓冲区 Buffer

Buffer 是一个数据对象,我们可以把它理解为固定数量的数据的容器,它包含一些要写入或者读出的数据。

在 Java NIO 中,任何时候访问 NIO 中的数据,都需要通过缓冲区(Buffer)进行操作。读取数据时,直接从缓冲区中读取,写入数据时,写入至缓冲区。NIO 最常用的缓冲区则是 ByteBuffer。下图是 Buffer 继承关系图:

image

每一个 Java 基本类型都对应着一种 Buffer,他们都包含这相同的操作,只不过是所处理的数据类型不同而已。

通道 Channel

Channel 是一个通道,它就像自来水管一样,网络数据通过 Channel 这根水管读取和写入。传统的 IO 是基于流进行操作的,Channle 和类似,但又有些不同:

image.png

正如上面说到的,Channel 必须要配合 Buffer 一起使用,我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中,同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中,如下:

image

简单点说,Channel 是数据的源头或者数据的目的地,用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据,并且对 I/O 提供异步支持。

下图是 Channel 的类图

image.png

Channel 为最顶层接口,所有子 Channel 都实现了该接口,它主要用于 I/O 操作的连接。定义如下:

public interface Channel extends Closeable {

    /**

     * 判断此通道是否处于打开状态。 

     */

    public boolean isOpen();

    /**

     *关闭此通道。

     */

    public void close() throws IOException;
}

最为重要的Channel实现类为:

  • FileChannel:一个用来写、读、映射和操作文件的通道
  • DatagramChannel:能通过 UDP 读写网络中的数据
  • SocketChannel: 能通过 TCP 读写网络中的数据
  • ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接,像 Web 服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel

多路复用器 Selector

多路复用器 Selector,它是 Java NIO 编程的基础,它提供了选择已经就绪的任务的能力。从底层来看,Selector 提供了询问通道是否已经准备好执行每个 I/O 操作的能力。简单来讲,Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel,如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件,这个 Channel 就处于就绪状态,会被 Selector 轮询出来,然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合,进行后续的 I/O 操作。

Selector 允许一个线程处理多个 Channel ,也就是说只要一个线程复杂 Selector 的轮询,就可以处理成千上万个 Channel ,相比于多线程来处理势必会减少线程的上下文切换问题。下图是一个 Selector 连接三个 Channel :

image

实例

服务端

public class NIOServer {
    /*接受数据缓冲区*/

    private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    /*发送数据缓冲区*/

    private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    private Selector selector;

    public NIOServer(int port) throws IOException {

        // 打开服务器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 服务器配置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 检索与此通道关联的服务器套接字
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();

        // 进行服务的绑定
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));

        // 通过open()方法找到Selector
        selector = Selector.open();

        // 注册到selector,等待连接
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        System.out.println("Server Start----:");

    }

    private void listen() throws IOException {

        while (true) {

            selector.select();

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {

                SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                iterator.remove();

                handleKey(selectionKey);

            }

        }

    }

    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {

        // 接受请求
        ServerSocketChannel server = null;

        SocketChannel client = null;

        String receiveText;

        String sendText;

        int count=0;

        // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。
        if (selectionKey.isAcceptable()) {

            // 返回为之创建此键的通道。
            server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();

            // 接受到此通道套接字的连接。
            // 此方法返回的套接字通道(如果有)将处于阻塞模式。
            client = server.accept();

            // 配置为非阻塞
            client.configureBlocking(false);

            // 注册到selector,等待连接
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        } else if (selectionKey.isReadable()) {

            // 返回为之创建此键的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

            //将缓冲区清空以备下次读取
            receivebuffer.clear();

            //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
            count = client.read(receivebuffer);

            if (count > 0) {

                receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);

                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText);

                client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

            }

        } else if (selectionKey.isWritable()) {

            //将缓冲区清空以备下次写入
            sendbuffer.clear();

            // 返回为之创建此键的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

            sendText="message from server--";

            //向缓冲区中输入数据
            sendbuffer.put(sendText.getBytes());

            //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
            sendbuffer.flip();

            //输出到通道
            client.write(sendbuffer);

            System.out.println("服务器端向客户端发送数据--:"+sendText);

            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port = 8080;

        NIOServer server = new NIOServer(port);

        server.listen();

    }

}

客户端

public class NIOClient {
    /*接受数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    /*发送数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 打开socket通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        // 设置为非阻塞方式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 打开选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 注册连接服务端socket动作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

        // 连接

        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

        Set<SelectionKey> selectionKeys;

        Iterator<SelectionKey> iterator;

        SelectionKey selectionKey;

        SocketChannel client;

        String receiveText;

        String sendText;

        int count=0;

        while (true) {

            //选择一组键,其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
            //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
            selector.select();

            //返回此选择器的已选择键集。
            selectionKeys = selector.selectedKeys();

            //System.out.println(selectionKeys.size());
            iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {

                selectionKey = iterator.next();

                if (selectionKey.isConnectable()) {

                    System.out.println("client connect");

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    // 判断此通道上是否正在进行连接操作。
                    // 完成套接字通道的连接过程。
                    if (client.isConnectionPending()) {

                        client.finishConnect();

                        System.out.println("完成连接!");

                        sendbuffer.clear();

                        sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());

                        sendbuffer.flip();

                        client.write(sendbuffer);

                    }

                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (selectionKey.isReadable()) {

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    //将缓冲区清空以备下次读取
                    receivebuffer.clear();

                    //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
                    count=client.read(receivebuffer);

                    if(count>0){

                        receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);

                        System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText);

                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

                    }

                } else if (selectionKey.isWritable()) {

                    sendbuffer.clear();

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    sendText = "message from client--";

                    sendbuffer.put(sendText.getBytes());

                    //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
                    sendbuffer.flip();

                    client.write(sendbuffer);

                    System.out.println("客户端向服务器端发送数据--:"+sendText);

                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                }

            }

            selectionKeys.clear();

        }

    }
}

运行结果

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