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<font color=”#333333″ face=”PingFangSC, helvetica neue, hiragino sans gb, arial, microsoft yahei ui, microsoft yahei, simsun, sans-serif”> 微信公众号【黄小斜】作者是蚂蚁金服 JAVA 工程师,专注于 JAVA 后端技术栈:SpringBoot、SSM 全家桶、MySQL、分布式、中间件、微服务,同时也懂点投资理财,坚持学习和写作,相信终身学习的力量!关注公众号后回复”架构师“即可领取 Java 基础、进阶、项目和架构师等免费学习资料,更有数据库、分布式、微服务等热门技术学习视频,内容丰富,兼顾原理和实践,另外也将赠送作者原创的 Java 学习指南、Java 程序员面试指南等干货资源。</font>
[](https://github.com/jasonGeng8…
- jdk == 1.8
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git 地址:https://github.com/jasonGeng88/java-network-programming
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- nio 下 I/O 阻塞与非阻塞实现
- SocketChannel 介绍
- I/O 多路复用的原理
- 事件选择器与 SocketChannel 的关系
- 事件监听类型
- 字节缓冲 ByteBuffer 数据结构
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接着上一篇中的站点访问问题,如果我们需要并发访问 10 个不同的网站,我们该如何处理?
在上一篇中,我们使用了 java.net.socket
类来实现了这样的需求,以一线程处理一连接的方式,并配以线程池的控制,貌似得到了当前的最优解。可是这里也存在一个问题,连接处理是同步的,也就是并发数量增大后,大量请求会在队列中等待,或直接异常抛出。
为解决这问题,我们发现元凶处在“一线程一请求”上,如果一个线程能同时处理多个请求,那么在高并发下性能上会大大改善。这里就借住 JAVA 中的 nio 技术来实现这一模型。
[](https://github.com/jasonGeng8… 的阻塞实现
关于什么是 nio,从字面上理解为 New IO,就是为了弥补原本 I/O 上的不足,而在 JDK 1.4 中引入的一种新的 I/O 实现方式。简单理解,就是它提供了 I/O 的阻塞与非阻塞的两种实现方式(_当然,默认实现方式是阻塞的。_)。
下面,我们先来看下 nio 以阻塞方式是如何处理的。
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有了上一篇 socket 的经验,我们的第一步一定也是建立 socket 连接。只不过,这里不是采用 new socket()
的方式,而是引入了一个新的概念 SocketChannel
。它可以看作是 socket 的一个完善类,除了提供 Socket 的相关功能外,还提供了许多其他特性,如后面要讲到的向选择器注册的功能。
类图如下:
建立连接代码实现:
<pre>// 初始化 socket,建立 socket 与 channel 的绑定关系
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 初始化远程连接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);
// I/O 处理设置阻塞,这也是默认的方式,可不设置
socketChannel.configureBlocking(true);
// 建立连接
socketChannel.connect(remote);</pre>
[](https://github.com/jasonGeng8… socket 连接
因为是同样是 I/O 阻塞的实现,所以后面的关于 socket 输入输出流的处理,和上一篇的基本相同。唯一差别是,这里需要通过 channel 来获取 socket 连接。
- 获取 socket 连接
<pre>Socket socket = socketChannel.socket();</pre>
- 处理输入输出流
<pre>PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());
BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());</pre>
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<pre>package com.jason.network.mode.nio;
import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;
import java.io.*;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NioBlockingHttpClient {
private SocketChannel socketChannel;
private String host;
public static void main(String[] args) throws IOException {for (String host: HttpConstant.HOSTS) {NioBlockingHttpClient client = new NioBlockingHttpClient(host, HttpConstant.PORT);
client.request();}
}
public NioBlockingHttpClient(String host, int port) throws IOException {
this.host = host;
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);
this.socketChannel.connect(remote);
}
public void request() throws IOException {PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());
BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());
pw.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
pw.flush();
String msg;
while ((msg = br.readLine()) != null){System.out.println(msg);
}
}
private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {OutputStream out = socket.getOutputStream();
return new PrintWriter(out);
}
private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {InputStream in = socket.getInputStream();
return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
}
}</pre>
[](https://github.com/jasonGeng8… 的非阻塞实现
[](https://github.com/jasonGeng8…
nio 的阻塞实现,基本与使用原生的 socket 类似,没有什么特别大的差别。
下面我们来看看它真正强大的地方。到目前为止,我们将的都是阻塞 I/O。何为阻塞 I/O,看下图:
我们主要观察图中的前三种 I/O 模型,关于异步 I/O,一般需要依靠操作系统的支持,这里不讨论。
从图中可以发现,阻塞过程主要发生在两个阶段上:
- 第一阶段:等待数据就绪;
- 第二阶段:将已就绪的数据从内核缓冲区拷贝到用户空间;
这里产生了一个从内核到用户空间的拷贝,主要是为了系统的性能优化考虑。假设,从网卡读到的数据直接返回给用户空间,那势必会造成频繁的系统中断,因为从网卡读到的数据不一定是完整的,可能断断续续的过来。通过内核缓冲区作为缓冲,等待缓冲区有足够的数据,或者读取完结后,进行一次的系统中断,将数据返回给用户,这样就能避免频繁的中断产生。
了解了 I/O 阻塞的两个阶段,下面我们进入正题。看看一个线程是如何实现同时处理多个 I/O 调用的。从上图中的非阻塞 I/O 可以看出,仅仅只有第二阶段需要阻塞,第一阶段的数据等待过程,我们是不需要关心的。不过该模型是频繁地去检查是否就绪,造成了 CPU 无效的处理,反而效果不好。如果有一种类似的好莱坞原则—“不要给我们打电话,我们会打给你”。这样一个线程可以同时发起多个 I/O 调用,并且不需要同步等待数据就绪。在数据就绪完成的时候,会以事件的机制,来通知我们。这样不就实现了单线程同时处理多个 IO 调用的问题了吗?即所说的“I/O 多路复用模型”。
-
- *
废话讲了一大堆,下面就来实际操刀一下。
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由上面分析可以,我们得有一个选择器,它能监听所有的 I/O 操作,并且以事件的方式通知我们哪些 I/O 已经就绪了。
代码如下:
<pre>import java.nio.channels.Selector;
…
private static Selector selector;
static {
try {selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
</pre>
[](https://github.com/jasonGeng8… I/O
下面,我们来创建一个非阻塞的 SocketChannel
,代码与阻塞实现类型,唯一不同是socketChannel.configureBlocking(false)
。
注意:只有在 socketChannel.configureBlocking(false)
之后的代码,才是非阻塞的,如果 socketChannel.connect()
在设置非阻塞模式之前,那么连接操作依旧是阻塞调用的。
<pre>SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 设置非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(remote);</pre>
[](https://github.com/jasonGeng8… socket 的关联
选择器与 socket 都创建好了,下一步就是将两者进行关联,好让选择器和监听到 Socket 的变化。这里采用了以 SocketChannel
主动注册到选择器的方式进行关联绑定,这也就解释了,为什么不直接 new Socket()
,而是以SocketChannel
的方式来创建 socket。
代码如下:
<pre>socketChannel.register(selector,
SelectionKey.OP_CONNECT
| SelectionKey.OP_READ
| SelectionKey.OP_WRITE);</pre>
上面代码,我们将 socketChannel 注册到了选择器中,并且对它的连接、可读、可写事件进行了监听。
具体的事件监听类型如下:
操作类型 | 值 | 描述 | 所属对象 |
---|---|---|---|
OP_READ | 1 << 0 | 读操作 | SocketChannel |
OP_WRITE | 1 << 2 | 写操作 | SocketChannel |
OP_CONNECT | 1 << 3 | 连接 socket 操作 | SocketChannel |
OP_ACCEPT | 1 << 4 | 接受 socket 操作 | ServerSocketChannel |
[](https://github.com/jasonGeng8… socket 变化
现在,选择器已经与我们关心的 socket 进行了关联。下面就是感知事件的变化,然后调用相应的处理机制。
这里与 Linux 下的 selector 有点不同,nio 下的 selecotr 不会去遍历所有关联的 socket。我们在注册时设置了我们关心的事件类型,每次从选择器中获取的,只会是那些符合事件类型,并且完成就绪操作的 socket,减少了大量无效的遍历操作。
public void select() throws IOException {
// 获取就绪的 socket 个数
while (selector.select() > 0){
// 获取符合的 socket 在选择器中对应的事件句柄 key
Set keys = selector.selectedKeys();
// 遍历所有的 key
Iterator it = keys.iterator();
while (it.hasNext()){
// 获取对应的 key,并从已选择的集合中移除
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
it.remove();
if (key.isConnectable()){
// 进行连接操作
connect(key);
}
else if (key.isWritable()){
// 进行写操作
write(key);
}
else if (key.isReadable()){
// 进行读操作
receive(key);
}
}
}
}
注意:这里的 selector.select()
是同步阻塞的,等待有事件发生后,才会被唤醒。这就防止了 CPU 空转的产生。当然,我们也可以给它设置超时时间,selector.select(long timeout)
来结束阻塞过程。
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下面,我们分别来看下,一个 socket 是如何来处理连接、写入数据和读取数据的(_这些操作都是阻塞的过程,只是我们将等待就绪的过程变成了非阻塞的了_)。
处理连接代码:
<pre>// SelectionKey 代表 SocketChannel 在选择器中注册的事件句柄
private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
// 获取事件句柄对应的 SocketChannel
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 真正的完成 socket 连接
channel.finishConnect();
// 打印连接信息
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
int port = remote.getPort();
System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!", host, port));
}</pre>
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<pre>// 字符集处理类
private Charset charset = Charset.forName(“utf8”);
private void write(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
// 获取 HTTP 请求,同上一篇
String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
// 向 SocketChannel 写入事件
channel.write(charset.encode(request));
// 修改 SocketChannel 所关心的事件
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}</pre>
这里有两个地方需要注意:
- 第一个是使用
channel.write(charset.encode(request));
进行数据写入。有人会说,为什么不能像上面同步阻塞那样,通过PrintWriter
包装类进行操作。因为PrintWriter
的write()
方法是阻塞的,也就是说要等数据真正从 socket 发送出去后才返回。
这与我们这里所讲的阻塞是不一致的,这里的操作虽然也是阻塞的,但它发生的过程是在数据从用户空间到内核缓冲区拷贝过程。至于系统将缓冲区的数据通过 socket 发送出去,这不在阻塞范围内。也解释了为什么要用 Charset
对写入内容进行编码了,因为缓冲区接收的格式是ByteBuffer
。
-
第二,选择器用来监听事件变化的两个参数是
interestOps
与readyOps
。- interestOps:表示
SocketChannel
所关心的事件类型,也就是告诉选择器,当有这几种事件发生时,才来通知我。这里通过key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
告诉选择器,之后我只关心“读就绪”事件,其他的不用通知我了。 - readyOps:表示
SocketChannel
当前就绪的事件类型。以key.isReadable()
为例,判断依据就是:return (readyOps() & OP_READ) != 0;
- interestOps:表示
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<pre>private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
String receiveData = charset.decode(buffer).toString();
// 当再没有数据可读时,取消在选择器中的关联,并关闭 socket 连接
if ("".equals(receiveData)) {key.cancel();
channel.close();
return;
}
System.out.println(receiveData);
}</pre>
这里的处理基本与写入一致,唯一要注意的是,这里我们需要自行处理去缓冲区读取数据的操作。首先会分配一个固定大小的缓冲区,然后从内核缓冲区中,拷贝数据至我们刚分配固定缓冲区上。这里存在两种情况:
- 我们分配的缓冲区过大,那多余的部分以 0 补充(_初始化时,其实会自动补 0_)。
- 我们分配的缓冲去过小,因为选择器会不停的遍历。只要
SocketChannel
处理读就绪状态,那下一次会继续读取。当然,分配过小,会增加遍历次数。
最后,将一下 ByteBuffer
的结构,它主要有 position, limit,capacity 以及 mark 属性。以 buffer.flip();
为例,讲下各属性的作用(_mark 主要是用来标记之前 position 的位置,是在当前 postion 无法满足的情况下使用的,这里不作讨论_)。
从图中看出,
- 容量(capacity):表示缓冲区可以保存的数据容量;
- 极限(limit):表示缓冲区的当前终点,即写入、读取都不可超过该重点;
- 位置(position):表示缓冲区下一个读写单元的位置;
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<pre>package com.jason.network.mode.nio;
import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class NioNonBlockingHttpClient {
private static Selector selector;
private Charset charset = Charset.forName("utf8");
static {
try {selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {NioNonBlockingHttpClient client = new NioNonBlockingHttpClient();
for (String host: HttpConstant.HOSTS) {client.request(host, HttpConstant.PORT);
}
client.select();}
public void request(String host, int port) throws IOException {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(remote);
socketChannel.register(selector,
SelectionKey.OP_CONNECT
| SelectionKey.OP_READ
| SelectionKey.OP_WRITE);
}
public void select() throws IOException {while (selector.select(500) > 0){Set keys = selector.selectedKeys();
Iterator it = keys.iterator();
while (it.hasNext()){SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
it.remove();
if (key.isConnectable()){connect(key);
}
else if (key.isWritable()){write(key);
}
else if (key.isReadable()){receive(key);
}
}
}
}
private void connect(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
channel.finishConnect();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
int port = remote.getPort();
System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!", host, port));
}
private void write(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
System.out.println(request);
channel.write(charset.encode(request));
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
private void receive(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
String receiveData = charset.decode(buffer).toString();
if ("".equals(receiveData)) {key.cancel();
channel.close();
return;
}
System.out.println(receiveData);
}
}
</pre>
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本文从 nio 的阻塞方式讲起,介绍了阻塞 I/O 与非阻塞 I/O 的区别,以及在 nio 下是如何一步步构建一个 IO 多路复用的模型的客户端。文中需要理解的内容比较多,如果有理解错误的地方,欢迎指正~
补充 1:基于 NIO 的多路复用客户端(线程池版)
<pre>public static void main(String[] args) {
基于线程池的伪异步 NIO 模型 a = new 基于线程池的伪异步 NIO 模型();
a.startServer();}
private Charset charset = Charset.forName(“utf8”); class WriteThread implements Runnable {
private SelectionKey key;
public WriteThread(SelectionKey key) {
this.key = key;
}
@Override
public void run() {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
Socket socket = socketChannel.socket();
try {
socketChannel.finishConnect();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) socketChannel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = remote.getHostName();
int port = remote.getPort();
System._out_.println(String.format(“ 访问地址: %s:%s 连接成功!”, host, port)); }
}
class ReadThread implements Runnable {
private SelectionKey key;
public ReadThread(SelectionKey key) {
this.key = key;
}
@Override
public void run() {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
socketChannel.read(buffer);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
buffer.flip();
String receiveData = null;
try {
receiveData = new String(buffer.array(), "utf8");
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
if ("".equals(receiveData)) {key.cancel();
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return;
}
System._out_.println(receiveData);
}
}
class ConnectThread implements Runnable {
private SelectionKey key;
public ConnectThread(SelectionKey key) {
this.key = key;
}
@Override
public void run() {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer byteBuffer = charset.encode(“hello world”);
try {
socketChannel.write(byteBuffer);
System._out_.println(“hello world”);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
key.interestOps(SelectionKey._OP_READ_);
}
}
public void startServer() {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
try {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
Selector selector = Selector.open(); socketChannel.configureBlocking(false);
InetSocketAddress inetAddress = new InetSocketAddress(1234); socketChannel.connect(inetAddress);
socketChannel.register(selector, SelectionKey._OP_CONNECT_ |
SelectionKey._OP_READ_ |
SelectionKey._OP_WRITE_); while (selector.select(500) > 0) {Iterator<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys().iterator();
while (keys.hasNext()) {
SelectionKey key = keys.next();
if (key.isConnectable()) {
executorService.submit(new ConnectThread(key));
}else if(key.isReadable()) {
executorService.submit(new ReadThread(key));
}else {
executorService.submit(new WriteThread(key));
}
}
}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
}</pre>
[](https://github.com/jasonGeng8…:基于 NIO 的多路复用服务端
<pre>class NioNonBlockingHttpServer {
private static Selector _selector_;
private Charset charset = Charset.forName(“utf8”); static {
try {_selector_ = Selector.open();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {NioNonBlockingHttpServer httpServer = new NioNonBlockingHttpServer();
httpServer.select();}
public void request(int port) throws IOException {ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8383)); // serverSocketChannel.register(selector, // SelectionKey.OP_CONNECT // | SelectionKey.OP_READ // | SelectionKey.OP_WRITE);
}
public void select() throws IOException {while (_selector_.select(500) > 0) {Set keys = _selector_.selectedKeys(); Iterator it = keys.iterator(); while (it.hasNext()) {SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
it.remove(); if (key.isAcceptable()) {
accept(key);
} else if (key.isWritable()) {
write(key);
} else if (key.isReadable()) {
receive(key);
}
}
}
}
private void accept(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel socketChannel;
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
socketChannel = channel.accept();// 接受连接请求
socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(_selector_, SelectionKey._OP_READ_ | SelectionKey._OP_WRITE_); InetSocketAddress local = (InetSocketAddress) channel.socket().getLocalSocketAddress();
String host = local.getHostName();
int port = local.getPort();
System._out_.println(String.format(“ 请求地址: %s:%s 接收成功!”, host, port)); }
private void write(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); InetSocketAddress local = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
String host = local.getHostName();
String msg = “hello Client”;
channel.write(charset.encode(msg)); System._out_.println(msg);
key.interestOps(SelectionKey._OP_READ_);
}
private void receive(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
String receiveData = charset.decode(buffer).toString(); if (“”.equals(receiveData)) {
key.cancel();
channel.close();
return; }
System._out_.println(receiveData);
}
}</pre>