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Java nio简介及使用示例_java nio 的实例使用场景

作者：知新_RL | 2024-05-21 19:00:04

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java nio 的实例使用场景

同步-阻塞io的缺点

之前的socket实现rpc中我们使用了类似下面的代码来从服务端获取客户端的输入：

while(true){
    line = br.readLine();
    if(line.equals("goodbye")){
        break;
    }
    // handle business
}

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这种的处理明显是有些问题的。如果因为某些原因如突然断电等原因导致客户端退出或卡顿，即使没有数据的交互服务器也必须保持这个线程。这样会造成服务器资源的严重浪费。甚至使服务器无法继续提供服务。这种处理方式称为同步-阻塞io.

nio和传统io的流程对比

传统io

  1. 先将文件内容从磁盘中拷贝到操作系统buffer
  2. 再从操作系统buffer拷贝到程序应用buffer
  3. 从程序buffer拷贝到socket buffer
  4. 从socket buffer拷贝到协议引擎.

nio

同步/伪异步/真正的异步

同步

服务器开启后一直等待客户端连接，一旦有客户端连接后使用主线程与客户端交互，等客户端断开后，再次监听新的客户端连接。在这种情况下服务器一次只能服务一个客户端，必须等客户端完成后才能再次服务一个客户端。效率极低。

伪异步

服务器开启后一直等待客户端连接，一旦有客户端连接后启动一个新线程来与客户端交互。

真正的异步

首先向内核注册一个监听器(selector)，一旦操作系统发现你注册的selector有事件到来，会回调通知应用。接到通知后再注册建立连接的监听。一旦内核与客户端建立了连接，然后会再次接到连接成功的通知。应用程序再次注册一个数据可读的监听，等到客户端有数据到来时应用程序会再次收到通知，此时可以直接读入数据。

这样基于监听的机制使得服务器拥有极高的性能。

nio vs 传统io

nio并不是快，它的流程很复杂。在发送文件的场景下，传统io的效率要远高于nio。

nio的优势不在于数据传输的速度，它的优势体现在能增加服务端的并发量和响应速度。

传统io中accept过程是一个阻塞过程，在实际网络过程中可能阻塞很久。然后为一个客户端启动一个Thread，read和write过程中的阻塞也会很严重。

传统io还有一个问题，系统容纳的Thread是有限的，如果大量客户端连接，Thread也会很多最终降低服务器性能。

nio如何解决这个问题？ – 通过上面所述的监听机制。

nio示例代码

nio的代码写起来比较繁琐，这里直接给出来了。关键的地方有注释。

MultiplexerTimeServer.java

package com.mrbcy.bigdata.basic.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class MultiplexerTimeServer implements Runnable {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel servChannel;
    private volatile boolean stop;

    public MultiplexerTimeServer(int port){
        try {
            selector = Selector.open();
            servChannel = ServerSocketChannel.open();
            servChannel.configureBlocking(false);
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("The time server is start in port: " + port);
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }

    }

    public void stop(){
        this.stop = true;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!stop) {
            try {
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;

                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    }catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        if(key != null){
                            key.cancel();
                            if(key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }

        if(selector != null){
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if(key.isValid()){
            // 处理新接入的请求消息
            if (key.isAcceptable()){
                // Accept the new connection
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                // Add new connection to selector
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            if(key.isReadable()) {
                // read data
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if(readBytes > 0){
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes, "UTF-8");
                    System.out.println("The time server receive order : "
                        + body);
                    String currentTime = "QUERY TIME ORDER"
                        .equalsIgnoreCase(body) ? new java.util.Date(
                        System.currentTimeMillis()).toString()
                        : "BAD ORDER";
                    doWrite(sc, currentTime);
                }else if (readBytes < 0) {
                    // 对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }

            }
        }

    }

    private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException {
        if (response != null && response.trim().length() > 0) {
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            channel.write(writeBuffer);
        }

    }

}

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TimeClientHandle.java

package com.mrbcy.bigdata.basic.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class TimeClientHandle implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean stop;

    public TimeClientHandle(String host, int port) {
    this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
    this.port = port;
    try {
        selector = Selector.open();
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
    }
    }

    /*
     * (non-Javadoc)
     *
     * @see java.lang.Runnable#run()
     */
    @Override
    public void run() {
    try {
        doConnect();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
    }
    while (!stop) {
        try {
        selector.select(1000);
        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
        SelectionKey key = null;
        while (it.hasNext()) {
            key = it.next();
            it.remove();
            try {
            handleInput(key);
            } catch (Exception e) {
            if (key != null) {
                key.cancel();
                if (key.channel() != null)
                key.channel().close();
            }
            }
        }
        } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
        }
    }

    // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
    if (selector != null)
        try {
        selector.close();
        } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        }
    }


    private void doConnect() throws IOException {
    // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
    if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        doWrite(socketChannel);
    } else
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
    byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
    ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
    writeBuffer.put(req);
    writeBuffer.flip();
    sc.write(writeBuffer);
    if (!writeBuffer.hasRemaining())
        System.out.println("Send order 2 server succeed.");
    }


    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {

    if (key.isValid()) {
        // 判断是否连接成功
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        if (key.isConnectable()) {
        if (sc.finishConnect()) {
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(sc);
        } else
            System.exit(1);// 连接失败，进程退出
        }
        if (key.isReadable()) {
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int readBytes = sc.read(readBuffer);
        if (readBytes > 0) {
            readBuffer.flip();
            byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
            readBuffer.get(bytes);
            String body = new String(bytes, "UTF-8");
            System.out.println("Now is : " + body);
            this.stop = true;
        } else if (readBytes < 0) {
            // 对端链路关闭
            key.cancel();
            sc.close();
        } else
            ; // 读到0字节，忽略
        }
    }

    }


}

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TimeServer.java

package com.mrbcy.bigdata.basic.nio;

import java.io.IOException;

public class TimeServer {

    /**
     * @param args
     * @throws IOException
     * @author blackcoder
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    int port = 5566;
    if (args != null && args.length<0) {
        try {
        port = Integer.valueOf(args[0]);
        } catch (NumberFormatException e) {
        // 采用默认值
        }
    }
    MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
    new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    }
}

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TimeClient.java

package com.mrbcy.bigdata.basic.nio;

public class TimeClient {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

    int port = 5566;
    if (args != null && args.length > 0) {
        try {
        port = Integer.valueOf(args[0]);
        } catch (NumberFormatException e) {
        // 采用默认值
        }
    }
    new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001")
        .start();
    }
}

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服务器端输出：

The time server is start in port: 5566
The time server receive order : QUERY TIME ORDER

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客户端输出：

Send order 2 server succeed.
Now is : Thu Feb 02 01:04:36 CST 2017

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nio的小缺点

那个轮询器看着很别扭。可以到时候再看看AIO

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