Java 多线程NIO学习

  1. 阻塞IO 如果数据没有准备就绪,就一直等待,直到数据准备就绪;整个进程会被阻塞。
  2. 非阻塞IO 需不断询问内核是否已经准备好数据,非阻塞虽然不用等待但是一直占用CPU。
  3. 多路复用IO NIO 多路复用IO,会有一个线程不断地去轮询多个socket的状态,当socket有读写事件的时候才会调用IO读写操作。 用一个线程管理多个socket,是通过selector.select()查询每个通道是否有事件到达,如果没有事件到达,则会一直阻塞在那里,因此也会带来线程阻塞问题。
  4. 信号驱动IO模型 在信号驱动IO模型中,当用户发起一个IO请求操作时,会给对应的socket注册一个信号函数,线程会继续执行,当数据准备就绪的时候会给线程发送一个信号,线程接受到信号时,会在信号函数中进行IO操作。 非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO都不会造成IO操作的第一步,查看数据是否准备就绪而带来的线程阻塞,但是在第二步,对数据进行拷贝都会使线程阻塞。
  5. 异步IO jdk7AIO 异步IO是最理想的IO模型,当线程发出一个IO请求操作时,接着就去做自己的事情了,内核去查看数据是否准备就绪和准备就绪后对数据的拷贝,拷贝完以后内核会给线程发送一个通知说整个IO操作已经完成了,数据可以直接使用了。 同步的IO操作在第二个阶段,对数据的拷贝阶段,都会造成线程的阻塞,异步IO则不会。

异步IO在IO操作的两个阶段,都不会使线程阻塞。 Java 的 I/O 依赖于操作系统的实现。

Java NIO的工作原理

Java 多线程NIO学习
  1. 由一个专门的线程(Selector)来处理所有的IO事件,并负责分发。
  2. 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
  3. 线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

三大基本组件

Channel

  1. FileChannel, 从文件中读写数据。
  2. DatagramChannel,通过UDP读写网络中的数据。
  3. SocketChannel,通过TCP读写网络中的数据。
  4. ServerSocketChannel,可以监听新进来的TCP连接,对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

Java NIO 的通道类似流,但又有些不同:

  1. 既可以从通道中读取数据,又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
  2. 通道可以异步地读写。
  3. 通道中的数据总是要先读到一个 Buffer,或者总是要从一个 Buffer 中写入。

Buffer

关键的Buffer实现 ByteBuffer,CharBuffer,DoubleBuffer,FloatBuffer,IntBuffer,LongBuffer,ShortBuffer

Buffer两种模式、三个属性:

Java 多线程NIO学习

capacity

作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后, position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1. 当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下,limit等于Buffer的capacity。 当切换Buffer到读模式时, limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position)

参考链接:Buffer原理 www.cnblogs.com/chenpi/p/64…

Selector

Selector(选择器)是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。

监听四种事件

  1. SelectionKey.OP_CONNECT
  2. SelectionKey.OP_ACCEPT
  3. SelectionKey.OP_READ
  4. SelectionKey.OP_WRITE

select()方法

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。 select(long timeout)和select()一样,除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectedKeys()方法

调用selector的selectedKeys()方法,访问“已选择键集(selected key set)”中的就绪通道。

参考链接:操作系统层面分析Selector原理 zhhphappy.iteye.com/blog/203289…

NIO实现

服务端

public class NIOServerSocket {
 
    //存储SelectionKey的队列
    private static List<SelectionKey> writeQueue = new ArrayList<SelectionKey>();
    private static Selector selector = null;
 
    //添加SelectionKey到队列
    public static void addWriteQueue(SelectionKey key){
        synchronized (writeQueue) {
            writeQueue.add(key);
            //唤醒主线程
            selector.wakeup();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
 
        // 1.创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 2.绑定端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(60000));
        // 3.设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 4.创建通道选择器
        selector = Selector.open();
        /*
         * 5.注册事件类型
         *
         *  sel:通道选择器
         *  ops:事件类型 ==>SelectionKey:包装类,包含事件类型和通道本身。四个常量类型表示四种事件类型
         *  SelectionKey.OP_ACCEPT 获取报文      SelectionKey.OP_CONNECT 连接
         *  SelectionKey.OP_READ 读           SelectionKey.OP_WRITE 写
         */
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
            System.out.println("服务器端:正在监听60000端口");
            // 6.获取可用I/O通道,获得有多少可用的通道
            int num = selector.select();
            if (num > 0) { // 判断是否存在可用的通道
                // 获得所有的keys
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用iterator遍历所有的keys
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
                // 迭代遍历当前I/O通道
                while (iterator.hasNext()) {
                    // 获得当前key
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 调用iterator的remove()方法,并不是移除当前I/O通道,标识当前I/O通道已经处理。
                    iterator.remove();
                    // 判断事件类型,做对应的处理
                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel socketChannel = ssChannel.accept();
 
                        System.out.println("处理请求:"+ socketChannel.getRemoteAddress());
                        // 获取客户端的数据
                        // 设置非阻塞状态
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 注册到selector(通道选择器)
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        System.out.println("读事件");
                        //取消读事件的监控
                        key.cancel();
                        //调用读操作工具类
                        NIOHandler.read(key);
                    } else if (key.isWritable()) {
                        System.out.println("写事件");
                        //取消读事件的监控
                        key.cancel();
                        //调用写操作工具类
                        NIOHandler.write(key);
                    }
                }
            }else{
                synchronized (writeQueue) {
                    while(writeQueue.size() > 0){
                        SelectionKey key = writeQueue.remove(0);
                        //注册写事件
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        Object attachment = key.attachment();
                        channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE,attachment);
                    }
                }
            }
        }
    }
 
}
复制代码

消息处理

public class NIOHandler {
 
    //构造线程池
    private static ExecutorService executorService  = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
    public static void read(final SelectionKey key){
        //获得线程并执行
        executorService.submit(new Runnable() {
 
            @Override
            public void run() {
                try {
                    SocketChannel readChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    // I/O读数据操作
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
                    int len = 0;
                    while (true) {
                        buffer.clear();
                        len = readChannel.read(buffer);
                        if (len == -1) break;
                        buffer.flip();
                        while (buffer.hasRemaining()) {
                            baos.write(buffer.get());
                        }
                    }
                    System.out.println("服务器端接收到的数据:"+ new String(baos.toByteArray()));
                    //将数据添加到key中
                    key.attach(baos);
                    //将注册写操作添加到队列中
                    NIOServerSocket.addWriteQueue(key);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
 
    public static void write(final SelectionKey key) {
        //拿到线程并执行
        executorService.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 写操作
                    SocketChannel writeChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    //拿到客户端传递的数据
                    ByteArrayOutputStream attachment = (ByteArrayOutputStream)key.attachment();
                    System.out.println("客户端发送来的数据:"+new String(attachment.toByteArray()));
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    String message = "你好,我是服务器!!";
                    buffer.put(message.getBytes());
                    buffer.flip();
                    writeChannel.write(buffer);
                    writeChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
}
复制代码

客户端

public class NIOClientSocket {
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //使用线程模拟用户 并发访问
        for (int i = 0; i < 1; i++) {
            new Thread(){
                public void run() {
                    try {
                        //1.创建SocketChannel
                        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();
                        //2.连接服务器
                        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",60000));
                        //写数据
                        String msg="我是客户端"+Thread.currentThread().getId();
                        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
                        buffer.put(msg.getBytes());
                        buffer.flip();
                        socketChannel.write(buffer);
                        socketChannel.shutdownOutput();
                        //读数据
                        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
                        int len = 0;
                        while (true) {
                            buffer.clear();
                            len = socketChannel.read(buffer);
                            if (len == -1)
                                break;
                            buffer.flip();
                            while (buffer.hasRemaining()) {
                                bos.write(buffer.get());
                            }
                        }
                        System.out.println("客户端收到:"+new String(bos.toByteArray()));
                        socketChannel.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
            }.start();
        }
    }
}
复制代码

多线程NIO Tips

  1. 示例代码仅供学习参考。对于一个已经被监听到的事件,处理前先取消事件(SelectionKey .cancel())监控。否则selector.selectedKeys()会一直获取到该事件,但该方法比较粗暴,并且后续register会产生多个SelectionKey。推荐使用selectionKey.interestOps()改变感兴趣事件。
  2. Selector.select()和Channel.register()需同步。
  3. 当Channel设置为非阻塞(Channel.configureBlocking(false))时,SocketChannel.read 没读到数据也会返回,返回参数等于0。
  4. OP_WRITE事件,写缓冲区在绝大部分时候都是有空闲空间的,所以如果你注册了写事件,这会使得写事件一直处于就就绪,选择处理现场就会一直占用着CPU资源。参考下面的第二个链接。
  5. 粘包问题。

参考链接:SocketChannel.read blog.csdn.net/cao47820824…

参考链接:NIO坑 www.jianshu.com/p/1af407c04…

原文 

https://juejin.im/post/5cb2f8d7e51d456e500f7cf3

本站部分文章源于互联网,本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供。如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。

PS:推荐一个微信公众号: askHarries 或者qq群:474807195,里面会分享一些资深架构师录制的视频录像:有Spring,MyBatis,Netty源码分析,高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理,JVM性能优化这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源,目前受益良多

转载请注明原文出处:Harries Blog™ » Java 多线程NIO学习

赞 (0)
分享到:更多 ()

评论 0

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址