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JavaNIO的的介绍及工作原理是什么

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针对传统I/O 工作模式的不足,NIO 工具包提出了基于Buffer(缓冲区)、Channel(通道)、Selector(选择器)的新模式;Selector(选择器)、可选择的Channel(通道)和SelectionKey(选择键)配合起来使用,可以实现并发的非阻塞型I/O 能力。

NIO 工具包的成员

Buffer(缓冲器)

Buffer 类是一个抽象类,它有7 个子类分别对应于七种基本的数据类型:ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一个Buffer对象相当于一个数据容器,可以把它看作内存中的一个大的数组,用来存储和提取所有基本类型(boolean 型除外)的数据。Buffer 类的核心是一块内存区,可以直接对其执行与内存有关的操作,利用操作系统特性和能力提高和改善Java 传统I/O 的性能。

Channel(通道)

Channel 被认为是NIO 工具包的一大创新点,是(Buffer)缓冲器和I/O 服务之间的通道,具有双向性,既可以读入也可以写出,可以更高效的传递数据。我们这里主要讨论ServerSocketChannel 和SocketChannel,它们都继承了SelectableChannel,是可选择的通道,分别可以工作在同步和异步两种方式下(这里的可选择不是指可以选择两种工作方式,而是指可以有选择的注册自己感兴趣的事件)。当通道工作在同步方式时,它的功能和编程方法与传统的ServerSocket、Socket 对象相似;当通道工作在异步工作方式时,进行输入输出处理不必等到输入输出完毕才返回,并且可以将其感兴趣的(如:接受操作、连接操作、读出操作、写入操作)事件注册到Selector 对象上,与Selector 对象协同工作可以更有效率的支持和管理并发的网络套接字连接。

Selector(选择器)和SelectionKey(选择键)

各类 Buffer 是数据的容器对象;各类Channel 实现在各类Buffer 与各类I/O 服务间传输数据。Selector 是实现并发型非阻塞I/O 的核心,各种可选择的通道将其感兴趣的事件注册到Selector 对象上,Selector 在一个循环中不断轮循监视这各些注册在其上的Socket 通道。SelectionKey 类则封装了SelectableChannel 对象在Selector 中的注册信息。当Selector 监测到在某个注册的SelectableChannel 上发生了感兴趣的事件时,自动激活产生一个SelectionKey对象,在这个对象中记录了哪一个SelectableChannel 上发生了哪种事件,通过对被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每个SelectableChannel 发生的具体事件类型,进行相应的处理。

NIO 工作原理

通过上面的讨论,我们可以看出在并发型服务器程序中使用NIO,实际上是通过网络事件驱动模型实现的。我们应用Select 机制,不用为每一个客户端连接新启线程处理,而是将其注册到特定的Selector 对象上,这就可以在单线程中利用Selector 对象管理大量并发的网络连接,更好的利用了系统资源;采用非阻塞I/O 的通信方式,不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回,从而减少了管理I/O 连接导致的系统开销,大幅度提高了系统性能。

当有读或写等任何注册的事件发生时,可以从Selector 中获得相应的SelectionKey , 从SelectionKey 中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel,以获得客户端发送过来的数据。由于在非阻塞网络I/O 中采用了事件触发机制,处理程序可以得到系统的主动通知,从而可以实现底层网络I/O 无阻塞、流畅地读写,而不像在原来的阻塞模式下处理程序需要不断循环等待。使用NIO,可以编写出性能更好、更易扩展的并发型服务器程序。

并发型服务器程序的实现代码

应用 NIO 工具包,基于非阻塞网络I/O 设计的并发型服务器程序与以往基于阻塞I/O 的实现程序有很大不同,在使用非阻塞网络I/O 的情况下,程序读取数据和写入数据的时机不是由程序员控制的,而是Selector 决定的。下面便给出基于非阻塞网络I/O 的并发型服务器程序的核心代码片段:

import java.io.*; //引入Java.io包 import java.net.*; //引入Java.net包 import java.nio.channels.*; //引入Java.nio.channels包 import java.util.*; //引入Java.util包 public class TestServer implements Runnable { /** * 服务器Channel对象,负责接受用户连接 */ private ServerSocketChannel server; /** * Selector对象,负责监控所有的连接到服务器的网络事件的发生 */ private Selector selector; /** * 总的活动连接数 */ private int activeSockets; /** * 服务器Channel绑定的端口号 */ private int port ; /** * * 构造函数 */ public TestServer()throws IOException { activeSockets=0; port=9999;//初始化服务器Channel绑定的端口号为9999 selector= Selector.open();//初始化Selector对象 server=ServerSocketChannel.open();//初始化服务器Channel对象 ServerSocket socket=server.socket();//获取服务器Channel对应的//ServerSocket对象 socket.bind(new InetSocketAddress(port));//把Socket绑定到监听端口9999上 server.configureBlocking(false);//将服务器Channel设置为非阻塞模式 server.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);//将服务器Channel注册到 Selector对象,并指出服务器Channel所感兴趣的事件为可接受请求操作 } public void run() { while(true) { try { /** *应用Select机制轮循是否有用户感兴趣的新的网络事件发生,当没有 * 新的网络事件发生时,此方法会阻塞,直到有新的网络事件发生为止 */ selector.select(); } catch(IOException e) { continue;//当有异常发生时,继续进行循环操作 } /** * 得到活动的网络连接选择键的集合 */ Set keys=selector.selectedKeys(); activeSockets=keys.size();//获取活动连接的数目 if(activeSockets==0) { continue;//如果连接数为0,则继续进行循环操作 } /** /** * 应用For—Each循环遍历整个选择键集合 */ for(SelectionKey key :keys) { /** * 如果关键字状态是为可接受,则接受连接,注册通道,以接受更多的* 事件,进行相关的服务器程序处理 */ if(key.isAcceptable()) { doServerSocketEvent(key); continue; } /** * 如果关键字状态为可读,则说明Channel是一个客户端的连接通道, * 进行相应的读取客户端数据的操作 */ if(key.isReadable()) { doClientReadEvent(key); continue; } /** * 如果关键字状态为可写,则也说明Channel是一个客户端的连接通道, * 进行相应的向客户端写数据的操作 */ if(key.isWritable()) { doClinetWriteEvent(key); continue; } } } } /** * 处理服务器事件操作 * @param key 服务器选择键对象 */ private void doServerSocketEvent(SelectionKey key) { SocketChannel client=null; try { ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel)key.channel(); client=server.accept(); if(client==null) { return; } client.configureBlocking(false);//将客户端Channel设置为非阻塞型 /** /** * 将客户端Channel注册到Selector对象上,并且指出客户端Channel所感 * 兴趣的事件为可读和可写 */ client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ); }catch(IOException e) { try { client.close(); }catch(IOException e1){} } } /** * 进行向客户端写数据操作 * @param key 客户端选择键对象 */ private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key) { 代码实现略; } /** * 进行读取客户短数据操作 * @param key 客户端选择键对象 */ private void doClientReadEvent(SelectionKey key) { 代码实现略; } }

从上面对代码可以看出,使用非阻塞性I/O进行并发型服务器程序设计分三个部分:1.向Selector对象注册感兴趣的事件;2.从Selector中获取所感兴趣的事件;3.根据不同的事件进行相应的处理。

结  语

通过使用NIO 工具包进行并发型服务器程序设计,一个或者很少几个Socket 线程就可以处理成千上万个活动的Socket 连接,大大降低了服务器端程序的开销;同时网络I/O 采取非阻塞模式,线程不再在读或写时阻塞,操作系统可以更流畅的读写数据并可以更有效地向CPU 传递数据进行处理,以便更有效地提高系统的性能。

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网站标题:JavaNIO的的介绍及工作原理是什么
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