java NIO理解分析与基本使用

我前段时间的一篇博客 java网络编程——多线程数据收发并行 总结了服务端与客户端之间的收发并行实践。原理很简单，就是针对单一客户端，服务端起两个线程分别负责read和write操作，然后线程保持阻塞等待读写执行。

事实上，这样的模式非常糟糕。因为每一个客户端在服务端需要占用两条线程，假如有1000个客户端，则需要2000+条线程。cpu需要花费大量的时间进行线程上下文切换，造成系统资源浪费。

想要缩减线程数量，先要解决阻塞问题。而NIO可以通过IO多路复用将read和write的阻塞给抹去。再配合线程池，即可实现用少量的线程支撑起上百万个客户端的连接。

什么是NIO

NIO与IO多路复用

java NIO全称java non-blocking IO。字面意思即非阻塞式IO。实际上这里的非阻塞只是宏观的说法。

关于IO模式，这里引一个别人的博客，介绍了几种IO模式的区别：

简述同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO之间的联系与区别

本博客不再赘述这些，只是想说NIO属于其中的IO复用模型。(实验室里有一本《UNIX网络编程》疫情结束回学校一定把这部分好好看看)

多路复用IO模型中，会有一个线程去不断轮询多个socket的状态，当socket有读写事件时，才来调用IO操作。因为是一个线程来管理多个socket，系统不需要建立其它线程、维护线程，只有socket就绪时，才会使用IO资源，所以它大大降低了资源占用。

java NIO中，使用selector.select()监听多个通道是否有到达事件，没有事件就一直阻塞，有事件就调用IO进行处理。

三大核心

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

详细介绍如下

NIO使用举例

这里以服务端读取客户端消息的流程为例，介绍NIO的使用(完整内容只有输入，暂且不管输出)。画了一个流程图，如下所示：

1. 建立selector和ServerSocketChannel，并绑定注册，用于监听客户端连接请求，代码如下：

selector = Selector.open();
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞
server.configureBlocking(false);
// 绑定本地端口
server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
// 注册客户端连接到达监听
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

同时还要建立readSelector和writeSelector。其实线程池也是提前建立的，这里暂且不写。

readSelector = Selector.open();
writeSelector = Selector.open();

2. 监听通道，得到客户端，并建立SocketChannel，用于监听后续客户端消息

//select()方法返回已就绪的通道数
if (selector.select() == 0) {
    continue;
}

Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {

    SelectionKey key = iterator.next();
    iterator.remove();

    // 检查当前Key的状态是否是accept的
    // 客户端到达状态
    if (key.isAcceptable()) {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        // 非阻塞状态拿到客户端连接
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        try {
            // 客户端构建异步线程
            // 添加同步处理
            //此处代码暂且忽略
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("客户端连接异常：" + e.getMessage());
        }
    }

3. 将SocketChannel注册进readSelector和writeSelector

/**
*参数分别是：channel，对应的selector，以及
*registerOps：待注册的操作集，这个在后文中有详细解析；
*locker：用于标识同步代码块的状态，是锁定还是可用；
*runnable：执行具体读写操作的类，送给线程池执行；
*map：建立SelectionKey与Runnable映射关系的HashMap。
*/
private static SelectionKey registerSelection(SocketChannel channel, Selector selector,
                                                  int registerOps, AtomicBoolean locker,
                                                  HashMap<SelectionKey, Runnable> map,
                                                  Runnable runnable) {
    synchronized (locker) {
    // 设置锁定状态
    locker.set(true);
    
    try {
        // 唤醒当前的selector，让selector不处于select()状态
        //注册channel时一定要将selector唤醒，否则当前select中没有刚注册的channel
        selector.wakeup();
    
        SelectionKey key = null;
        if (channel.isRegistered()) {
            // 查询是否已经注册过
            key = channel.keyFor(selector);
            if (key != null) {
            //将新的Ops添加进去
                key.interestOps(key.readyOps() | registerOps);
            }
        }
    
        if (key == null) {
            // 注册selector得到Key
            key = channel.register(selector, registerOps);
            // 注册回调
            map.put(key, runnable);
        }
    
        return key;
    } catch (ClosedChannelException e) {
        return null;
    } finally {
        // 解除锁定状态
        locker.set(false);
        try {
            // 通知
            locker.notify();
        } catch (Exception ignored) {
        }
    }
    }
}

4. 监听各个客户端消息，通过selectionKeys获取channel，再执行输入操作

try {
if (readSelector.select() == 0) {
    continue;
}

Set<SelectionKey> selectionKeys = readSelector.selectedKeys();
for (SelectionKey selectionKey : selectionKeys) {
    if (selectionKey.isValid()) {
        //IO处理代码，暂且忽略
    }
}
selectionKeys.clear();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}

注意：以上都是一些代码片段，没有完全串联起来，省略了一些类对象调用、方法调用以及关键的线程池操作等等。但是基本的方法已经展示出来，剩下的后面的博客再去填坑。

光看上面的代码，对于一些NIO方法的认知还是很模糊的。下面通过阅读selector类和SelectionKey类的源码注释，来加深对部分方法的理解。

selector类

selector是NIO的核心类，下面是选择器的一些重要方法：

• open相关
  • open()开启一个selector
  • public abstract boolean isOpen(); 判断是否开启

public static Selector open() throws IOException {
    return SelectorProvider.provider().openSelector();
}

• keys相关
  • public abstract Set keys();返回所有key的集合
  • public abstract Set selectedKeys();返回已被选择的key的集合
• select
  • 下面几个方法都是返回已就绪通道的数量，可能是0；
  • selectNow()，非阻塞方法；
  • select()，仅在三种情况下返回，1.通道被选择；2.调用wakeup方法；3.线程中断。
  • select(timeout)，比select()多一个解除阻塞的条件，即超时。
• wakeup()，解除正在阻塞的select方法的阻塞，立即返回
• close()，关闭selector。

SelectionKey类

注册进selector的任何一个channel都用一个SelectionKey对象来指代。

操作集

• Operation-set：操作集，一些常量int值，代表各种类型的操作；一个selection key包含两个操作集，interest set和ready-operation set

public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

• interest set：兴趣集；一个channel所有的操作集；可通过interestOps(int)方法来更新

• ready-operation set：就绪操作集，只包含使得channel被报告就绪的操作，底层通过与或操作来更新；例如当一个channel读取就绪时，将read操作集加入到就绪集中。

方法列表

• public abstract SelectableChannel channel():返回此选择键所关联的通道.即使此key已经被取消,仍然会返回；
• public abstract Selector selector():返回此选择键所关联的选择器,即使此键已经被取消,仍然会返回；
• public abstract boolean isValid():检测此key是否有效.当key被取消,或者通道被关闭,或者selector被关闭,都将导致此key无效.在AbstractSelector.removeKey(key)中,会导致selectionKey被置为无效；
• public abstract void cancel():请求将此键取消注册.一旦返回成功,那么该键就是无效的,被添加到selector的cancelledKeys中.cancel操作将key的valid属性置为false,并执行selector.cancel(key)(即将key加入cancelledkey集合)；
• public abstract int interesOps():获得此键的interes集合；
• public abstract SelectionKey interestOps(int ops):将此键的interst设置为指定值.此操作会对ops和channel.validOps进行校验.如果此ops不会当前channel支持,将抛出异常；
• public abstract int readyOps():获取此键上ready操作集合.即在当前通道上已经就绪的事件；
• public final boolean isReadable(): 检测此键"read"事件是否就绪.等效于:(readyOps() & OP_READ) != 0;还有isWritable(),isConnectable(),isAcceptable()
• public final Object attach(Object ob):将给定的对象作为附件添加到此key上.在key有效期间,附件可以在多个ops事件中传递；
• public final Object attachment():获取附件.一个channel的附件,可以再当前Channel(或者说是SelectionKey)生命周期中共享,但是attachment数据不会作为socket数据在网络中传输。

终于写完了，这篇博客只能算是对NIO简单介绍，一些东西还没讲到。channel和buffer部分的方法没有分析，线程池部分没有加上，还有输出操作那一套，都没讲。总想尽可能多地详细完整一点，但是越深入，知识点就越庞大，所以只能放弃一部分内容，于是成了现在这个样子。如果详细规划一下拆开多个博客写会更好。