Java NIO同步非阻塞编程原理解析及案例

文章目录

Java NIO同步非阻塞编程原理解析及案例
- NIO介绍
- NIO和 BIO的比较
- NIO 三大核心原理示意图
- 缓冲区(Buffer)
- - 基本介绍
  - Buffer常用API介绍
  - - Buffer 类及其子类
    - 缓冲区对象创建
    - 缓冲区对象添加数据
    - 缓冲区对象读取数据
- 通道(Channel)
- - 基本介绍
  - Channel常用类介绍
  - ServerSocketChannel
  - SocketChannel
- Selector (选择器)
- - 基本介绍
  - 常用API介绍

NIO介绍

Java NIO 全称java non-blocking IO ，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的.

NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
NIO是面向缓冲区编程的。数据读取到一个缓冲区中，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况，可以分配50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个

NIO和 BIO的比较

BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以缓冲区的方式处理数据,缓冲区 I/O 的效率比流 I/O 高很多
BIO 是阻塞的，NIO则是非阻塞的
BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

NIO 三大核心原理示意图

一张图描述 NIO 的 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系

在这里插入图片描述

每个 channel 都会对应一个 Buffer
Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 channel(连接)
每个 channel 都注册到 Selector选择器上
Selector不断轮询查看Channel上的事件, 事件是通道Channel非常重要的概念
Selector 会根据不同的事件，完成不同的处理操作
Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组
数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO不同, BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO 的 Buffer 是可以读也可以写 , channel 是双向的.

缓冲区(Buffer)

基本介绍

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个数组，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer.

在这里插入图片描述

Buffer常用API介绍

Buffer 类及其子类

在这里插入图片描述

在 NIO 中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图,常用的缓冲区分别对应byte,short, int, long,float,double,char 7种.

缓冲区对象创建

方法名	说明
static ByteBuffer allocate(长度)	创建byte类型的指定长度的缓冲区
static ByteBuffer wrap(byte[] array)	创建一个有内容的byte类型缓冲区

示例代码：

import java.nio.ByteBuffer;

public class CreateBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建一个指定长度的缓冲区, 以ByteBuffer为例
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(byteBuffer.get());
        }

        //在此调用会报错--后续再读缓冲区时着重讲解
        //System.out.println(byteBuffer.get());
        //2.创建一个有内容的缓冲区
        ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap("buffer".getBytes());
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(wrap.get());
        }
    }
}

缓冲区对象添加数据

方法名	说明
int position()/position(int newPosition)	获得当前要操作的索引/修改当前要操作的索引位置
int limit()/limit(int newLimit)	最多能操作到哪个索引/修改最多能操作的索引位置
int capacity()	返回缓冲区的总长度
int remaining()/boolean hasRemaining()	还有多少能操作索引个数/是否还有能操作
put(byte b)/put(byte[] src)	添加一个字节/添加字节数组

图解:

在这里插入图片描述

示例代码:

import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Arrays;

public class PutBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {

        //1.创建一个指定长度的缓冲区, 以ByteBuffer为例
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("当前索引所在位置: " + byteBuffer.position());//0 获取当前索引所在位置
        System.out.println("最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.limit());//10 最多能操作到哪个索引
        System.out.println("返回缓冲区总长度: " + byteBuffer.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println("还有多少个能操作: " + byteBuffer.remaining());//10 还有多少个能操作

        
        //添加一个字节
        byteBuffer.put((byte) 97);
        System.out.println("添加字节后当前索引所在位置: " + byteBuffer.position());//1 获取当前索引所在位置
        System.out.println("添加字节后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.limit());//10 最多能操作到哪个索引
        System.out.println("添加字节后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println("添加字节后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.remaining());//9 还有多少个能操作
        System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array()));

        //添加一个字节数组
        byteBuffer.put("abc".getBytes());
        System.out.println("添加字节数组后当前索引所在位置: " + byteBuffer.position());//4 获取当前索引所在位置
        System.out.println("添加字节数组后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.limit());//10 最多能操作到哪个索引
        System.out.println("添加字节数组后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println("添加字节数组后最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.remaining());//6 还有多少个能操作
        System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array()));

        //当添加超过缓冲区的长度时会报错
        byteBuffer.put("012345".getBytes());
        System.out.println("超过缓存区长度时当前索引所在位置: " + byteBuffer.position());//10 获取当前索引所在位置
        System.out.println("超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.limit());//10 最多能操作到哪个索引
        System.out.println("超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println("超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: " + byteBuffer.remaining());//0 还有多少个能操作
        System.out.println("超过缓存区长度时是否还能有操作的数组: " + byteBuffer.hasRemaining());// false 是否还能有操作的数组
        System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array()));

        // 如果缓存区存满后, 可以调整position位置可以重复写,这样会覆盖之前存入索引的对应的值
        byteBuffer.position(0);
        byteBuffer.put("012345".getBytes());
        System.out.println(Arrays.toString(byteBuffer.array()));

    }
}

输出结果：

当前索引所在位置: 0
最多能操作到哪个索引: 10
返回缓冲区总长度: 10
还有多少个能操作: 10
    
添加字节后当前索引所在位置: 1
添加字节后最多能操作到哪个索引: 10
添加字节后最多能操作到哪个索引: 10
添加字节后最多能操作到哪个索引: 9
[97, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
    
添加字节数组后当前索引所在位置: 4
添加字节数组后最多能操作到哪个索引: 10
添加字节数组后最多能操作到哪个索引: 10
添加字节数组后最多能操作到哪个索引: 6
[97, 97, 98, 99, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
    
超过缓存区长度时当前索引所在位置: 10
超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: 10
超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: 10
超过缓存区长度时最多能操作到哪个索引: 0
超过缓存区长度时是否还能有操作的数组: false
[97, 97, 98, 99, 48, 49, 50, 51, 52, 53]

覆盖后的结果：
[48, 49, 50, 51, 52, 53, 50, 51, 52, 53]

首先定义了一个长度为10的字节数组缓存区，然后先写入一个字节97，输出缓冲区的内容为：[97, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]。接下来，写入一个字节数组，此时缓冲区的内容为：[97, 97, 98, 99, 0, 0, 0, 0, 0, 0]。接下来，再写入一个字节数组，此时会超出缓冲区的范围，如果缓存区存满后, 可以调整position位置可以重复写,这样会覆盖之前存入索引的对应的值。

缓冲区对象读取数据

方法名	介绍
flip()	写切换读模式 limit设置position位置, position设置0
get()	读一个字节
get(byte[] dst)	读多个字节
get(int index)	读指定索引的字节
rewind()	将position设置为0，可以重复读
clear()	切换写模式 position设置为0 , limit 设置为 capacity
array()	将缓冲区转换成字节数组返回

图解:flip()方法

在这里插入图片描述

图解:clear()方法

在这里插入图片描述

实例代码:

import java.nio.ByteBuffer;

public class GetBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建一个指定长度的缓冲区
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
        allocate.put("0123".getBytes());
        System.out.println("缓冲区内容： " + Arrays.toString(allocate.array()));
        System.out.println("position:" + allocate.position());//4
        System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10
        System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
        System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6

        //切换读模式
        System.out.println("读取数据--------------");
        allocate.flip();
        System.out.println("position:" + allocate.position());//4
        System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10

        System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
        System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6
        for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
            System.out.println(allocate.get());
        }

        //读取完毕后.继续读取会报错,超过limit值
        //System.out.println(allocate.get());
        //读取指定索引字节
        System.out.println("读取指定索引字节--------------");
        System.out.println(allocate.get(1));
        System.out.println("读取多个字节--------------");

        // 重复读取
        allocate.rewind();
        byte[] bytes = new byte[4];
        allocate.get(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));

        // 将缓冲区转化字节数组返回
        System.out.println("将缓冲区转化字节数组返回--------------");
        byte[] array = allocate.array();
        System.out.println(new String(array));

        // 切换写模式,覆盖之前索引所在位置的值
        System.out.println("写模式--------------");
        allocate.clear();
        allocate.put("abc".getBytes());
        System.out.println(new String(allocate.array()));
    }

}

输出结果：

缓冲区内容： [48, 49, 50, 51, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
position:4
limit:10
capacity:10
remaining:6
    
读取数据--------------
position:0
limit:4
capacity:10
remaining:4
48
49
50
51
读取指定索引字节--------------
49
读取多个字节--------------
0123
将缓冲区转化字节数组返回--------------
0123      
写模式--------------
abc3

注意事项:

capacity：容量（长度）limit：界限（最多能读/写到哪里）posotion：位置（读/写哪个索引）
获取缓冲区里面数据之前，需要调用flip方法
再次写数据之前，需要调用clear方法，但是数据还未消失，等再次写入数据，被覆盖了才会消失。

通道(Channel)

基本介绍

通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道）开始的。NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写，所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）
通道可以异步读写
通道总是基于缓冲区Buffer来读写

在这里插入图片描述

Channel常用类介绍

Channel接口

常用的Channel实现类类有：FileChannel , DatagramChannel ,ServerSocketChannel和SocketChannel 。FileChannel 用于文件的数据读写， DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写， ServerSocketChannel 和SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。【ServerSocketChanne类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

在这里插入图片描述

SocketChannel 与ServerSocketChannel

类似 Socket和ServerSocket,可以完成客户端与服务端数据的通信工作.

ServerSocketChannel

服务端实现步骤

打开一个服务端通道
绑定对应的端口号
通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
检查是否有客户端连接有客户端连接会返回对应的通道
获取客户端传递过来的数据,并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
给客户端回写数据
释放资源

代码实现

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class NIOServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        //1. 打开一个服务端通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //2. 绑定对应的端口号
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        //3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
        // true 为通道阻塞 false 为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务端启动成功..........");
        while (true) {
            //4. 检查是否有客户端连接 有客户端连接会返回对应的通道 , 否则返回null
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel == null) {
                System.out.println("没有客户端连接...我去做别的事情");
                Thread.sleep(2000);
                continue;
            }

            //5. 获取客户端传递过来的数据,并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //返回值:
            //正数: 表示本次读到的有效字节个数.
            //0 : 表示本次没有读到有效字节.
            //-1 : 表示读到了末尾
            int read = socketChannel.read(byteBuffer);
            System.out.println("客户端消息:" + new String(byteBuffer.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
            //6. 给客户端回写数据
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("服务器响应客户端请求".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
            //7. 释放资源
            socketChannel.close();
        }
    }

}

输出结果，由于目前没有客户端连接，所以会一直打印“没有客户端连接…我去做别的事情”

SocketChannel

实现步骤

打开通道
设置连接IP和端口号
写出数据
读取服务器写回的数据
释放资源

代码实现

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.打开通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //2.设置连接IP和端口号
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        //3.写出数据
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("客户端1请求服务".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        //4.读取服务器写回的数据
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int read=socketChannel.read(readBuffer);
        System.out.println("服务端消息:" + new String(readBuffer.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
        //5.释放资源
        socketChannel.close();
    }

}

输出结果：

服务端消息:服务器响应客户端请求

从上面代码可以看出，ServerSocketChannel 了一个服务端通道，SocketChannel 实现了一个客户端通道，类似于ServerSocket和Socket间的通信方式。只是这里加入了Channel通道的概念，用于读写数据过程中数据的缓冲。

Selector (选择器)

基本介绍

可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到NIO的Selector(选择器). Selector 能够检测多个注册的服务端通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。

在这里插入图片描述

在这种没有选择器的情况下,对应每个连接对应一个处理线程. 但是连接并不能马上就会发送信息,所以线程往往会同步阻塞在这里，等待消息的到来，因此会产生资源浪费。

在这里插入图片描述

只有在通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程, 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

常用API介绍

Selector 类是一个抽象类

在这里插入图片描述

常用方法

Selector.open() : //得到一个选择器对象
selector.select() : //阻塞监控所有注册的通道,当有对应的事件操作时, 会将SelectionKey放入集合内部并返回事件数量
selector.select(1000): //阻塞 1000 毫秒，监控所有注册的通道,当有对应的事件操作时, 会将SelectionKey放入集合内部并返回
selector.selectedKeys() : // 返回存有SelectionKey的集合

SelectionKey

在这里插入图片描述

常用方法

SelectionKey.isAcceptable(): 是否是连接继续事件
SelectionKey.isConnectable(): 是否是连接就绪事件
SelectionKey.isReadable(): 是否是读就绪事件
SelectionKey.isWritable(): 是否是写就绪事件

SelectionKey中定义的4种事件

SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户端与服务器的连接已经建立成功
SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）

Selector 编码

服务端实现步骤

打开一个服务端通道
绑定对应的端口号
通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
创建选择器
将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
检查选择器是否有事件
获取事件集合
判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
得到客户端通道,读取数据到缓冲区
给客户端回写数据
从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理

代码实现

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.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOSelectorServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException,InterruptedException {
        //1. 打开一个服务端通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //2. 绑定对应的端口号
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        //3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //4. 创建选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务端启动成功...");
        while (true) {
            //6. 检查选择器是否有事件
            int select = selector.select(2000);
            if (select == 0) {
                continue;
            }

            //7. 获取事件集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                //8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
                SelectionKey key = iterator.next();
                //9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端已连接......" + socketChannel);
                    //必须设置通道为非阻塞, 因为selector需要轮询监听每个通道的事件
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //并指定监听事件为OP_READ
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                //10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
                if (key.isReadable()) {
                    //11.得到客户端通道,读取数据到缓冲区
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int read = socketChannel.read(byteBuffer);
                    if (read > 0) {
                        System.out.println("客户端消息:" + new String(byteBuffer.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
                        //12.给客户端回写数据
                        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("服务器响应".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
                        socketChannel.close();
                    }
                }

                //13.从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理.
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

定义客户端

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.打开通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //2.设置连接IP和端口号
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        //3.写出数据
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("客户端请求服务".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        //4.读取服务器写回的数据
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int read=socketChannel.read(readBuffer);
        System.out.println("服务端消息:" + new String(readBuffer.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
        //5.释放资源
        socketChannel.close();
    }

}

输出结果：

客户端：
服务端消息:服务器响应

服务端：
服务端启动成功...
客户端已连接......java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:9999 remote=/127.0.0.1:56699]
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