java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新IO”，也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：

• 由一个专门的线程来处理所有的IO事件，并负责分发。

• 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。

• 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。

阅读过一些资料之后，下面贴出我理解的java  NIO的工作原理图：

注：每个线程的处理流程大概都是读取数据，解码，计算处理，编码，发送响应。

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的IO事件，这种通信模型是怎么实现的呢？呵呵，我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道（channel）进行数据传输，而不是单向流（stream），在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件：

事件名                                                

对应值                                                         

服务端接收客户端连接事件

SelectionKey.OP_ACCEPT(16)

客户端连接服务端事件

SelectionKey.OP_CONNECT(8)

读事件

SelectionKey.OP_READ(1)

写事件

SelectionKey.OP_WRITE(4)

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道（channel）上的事件。我们以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端送了一些数据，阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图：

为了更好地理解java NIO，下面贴出服务端和客户端的简单代码实现：

服务端：

1package nio;
2
3import java.io.IOException;
4import java.net.InetSocketAddress;
5import java.nio.ByteBuffer;
6import java.nio.channels.SelectionKey;
7import java.nio.channels.Selector;
8import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
9import java.nio.channels.SocketChannel;
10import java.util.Iterator;
11
12public class NIOServer {
13    //通道管理器
14    private Selector selector;
15    /*
16     * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化工作
17     * @param port     绑定的端口号
18     * @throws IOException
19     */
20    public void initServer(int port) throws IOException {
21        //获得一个ServerSocket通道
22        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
23        //设置通道为非阻塞
24        serverChannel.configureBlocking(false);
25        //将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
26        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
27        //获得一个通道管理器
28        this.selector = Selector.open();
29        /*将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件，注册
30        *该事件后，当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()
31        *会一直阻塞。
32        */
33        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
34    }
35    /*
36     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
37     * @throws IOException
38     */
39    public void listen() throws IOException {
40        System.out.println("服务端启动成功！");
41        //轮询访问selector
42        while(true){
43            //当注册的事件到达时，方法返回；否则，该方法会一直阻塞
44            selector.select();
45            //获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
46            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
47            while(ite.hasNext()){
48                SelectionKey key = (SelectionKey)ite.next();
49                //删除已选的key，以防重复处理
50                ite.remove();
51                //客户请求连接事件
52                if(key.isAcceptable()){
53                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)key.channel();
54                    //获得和客户端连接的通道
55                    SocketChannel channel = server.accept();
56                    //设置成非阻塞
57                    channel.configureBlocking(false);
58                    //在这里可以给客户端发送信息哦
59                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("1234567890").getBytes()));
60                    //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读权限
61                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
62                }else if(key.isReadable()){
63                    read(key);
64                }
65            }
66        }
67    }
68    /*
69     * 处理读取客户端发来的信息的事件
70     * @param key
71     * @throws IOException
72     */
73    public void read(SelectionKey key ) throws IOException{
74        //服务器可读取消息：得到事件发生的Socket通道
75        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
76        //创建读取的缓冲区 
77        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
78        channel.read(buffer);
79        byte[] data = buffer.array();
80        String msg = new String(data).trim();
81        System.out.println("服务端收到信息：" + msg);
82        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
83        channel.write(outBuffer);//将消息回送给客户端
84    }
85    
86    public static void main(String[] args) throws IOException {
87        NIOServer server = new NIOServer();
88        server.initServer(8080);
89        server.listen();
90    }
91}

客户端：

1package nio;
2
3import java.io.IOException;
4import java.net.InetSocketAddress;
5import java.nio.ByteBuffer;
6import java.nio.channels.SelectionKey;
7import java.nio.channels.Selector;
8import java.nio.channels.SocketChannel;
9import java.util.Iterator;
10
11public class NIOClient {
12    //通道管理器
13    private Selector selector;
14    /*
15     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
16     * @param        ip，连接的服务器的ip
17     * @param        port，连接的服务器的端口号
18     * ＠throws     IOException
19     */
20    public void initClient(String ip,int port) throws IOException{
21        //获得一个Socket通道
22        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
23        //设置通道为非阻塞
24        channel.configureBlocking(false);
25        //获得一个通道管理器
26        this.selector = Selector.open();
27        /*客户端连接服务器，其实方法执行并没有实现连接，需要在listen()方法中
28        *调用channel.finishConnect()才能完成连接
29        */
30        channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
31        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件
32        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
33    }
34    /*
35     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理。
36     * @throws IOException
37     */
38    public void listen() throws IOException{
39        //轮询访问selector
40        while(true){
41            /*
42             * 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中，客户端的该方法不会阻塞，
43             * 这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时，
44             * selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的
45             */
46            selector.select();
47            //获得selector中选中的项的迭代器
48            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
49            while(ite.hasNext()){
50                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
51                //删除已选的key，以防重复处理
52                ite.remove();
53                //连接事件发生
54                if(key.isConnectable()){
55                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
56                    //如果正在连接，则完成连接
57                    if(channel.isConnectionPending()){
58                        channel.finishConnect();
59                    }
60                    //设置成非阻塞
61                    channel.configureBlocking(false);
62                    //在这里可以给服务端发送信息哦
63                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("abcdefg").getBytes()));
64                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限
65                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
66                    //获得了可读的事件
67                } else if(key.isReadable()){
68                    read(key);
69                }
70            }
71        }
72    }
73    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
74        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
75        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
76        channel.read(buffer);
77        byte[] data = buffer.array();
78        String msg = new String(data).trim();
79        System.out.println("客户端收到信息：" + msg);
80        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
81        channel.write(outBuffer);
82    }
83    
84    public static void main(String[] args) throws IOException{
85        NIOClient client = new NIOClient();
86        client.initClient("localhost", 8080);
87        client.listen();
88    }
89}