NIO入门

首先了解下所谓的java nio是个什么东西！



传统的并发型服务器设计是利用阻塞型网络I/O 以多线程的模式来实现的，然而由
于系统常常在进行网络读写时处于阻塞状态，会大大影响系统的性能；自Java1. 4 开始引入
了NIO(新I/O) API，通过使用非阻塞型I/O，实现流畅的网络读写操作，为开发高性能并发
型服务器程序提供了一个很好的解决方案。这就是java nio



首先来看下传统的阻塞型网络 I/O的不足



Java 平台传统的I/O 系统都是基于Byte（字节）和Stream（数据流）的，相应的I/O 操
作都是阻塞型的，所以服务器程序也采用阻塞型I/O 进行数据的读、写操作。本文以TCP
长连接模式来讨论并发型服务器的相关设计，为了实现服务器程序的并发性要求，系统由一
个单独的主线程来监听用户发起的连接请求，一直处于阻塞状态；当有用户连接请求到来时，
程序都会启一个新的线程来统一处理用户数据的读、写操作。



这种模式的优点是简单、实用、易管理；然而缺点也是显而易见的：由于是为每一个客
户端分配一个线程来处理输入、输出数据，其线程与客户机的比例近似为1：1，随着线程
数量的不断增加，服务器启动了大量的并发线程，会大大加大系统对线程的管理开销，这将
成为吞吐量瓶颈的主要原因；其次由于底层的I/O 操作采用的同步模式，I/O 操作的阻塞管

理粒度是以服务于请求的线程为单位的,有可能大量的线程会闲置,处于盲等状态，造成I/O
资源利用率不高，影响整个系统的性能。


对于并发型服务器，系统用在阻塞型I/O 等待和线程间切换的时间远远多于CPU 在内
存中处理数据的时间，因此传统的阻塞型I/O 已经成为制约系统性能的瓶颈。Java1.4 版本
后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的异步输入输出机制，为提高系统的性能提供
了可实现的基础机制。





NIO 包及工作原理


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：

1 /*
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  3  * and open the template in the editor.
  4  */
  5 
  6 package testnio;
  7 
  8 import java.io.IOException;
  9 import java.net.InetSocketAddress;
 10 import java.net.ServerSocket;
 11 import java.nio.channels.SelectionKey;
 12 import java.nio.channels.Selector;
 13 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
 14 import java.nio.channels.SocketChannel;
 15 import java.util.Set;
 16 import java.util.logging.Level;
 17 import java.util.logging.Logger;
 18 
 19 /**
 20  *
 21  * @author root
 22  */
 23 public class Main implements Runnable {
 24 
 25 
 26     //服务器channel对象，负责接受用户的连接
 27     private ServerSocketChannel server;
 28 
 29     //Selector对象，负责监控所有的连接到服务器的网络事件的发生
 30     private Selector selector;
 31 
 32     //总的活动连接数
 33     private int activeSockets;
 34 
 35     //服务器channel绑定的端口
 36     private int port;
 37 
 38     public Main() throws IOException
 39     {
 40         activeSockets=0;
 41 
 42         port=9999;
 43 
 44         selector=Selector.open();//初始化 Selector对象
 45 
 46         ServerSocket socket=server.socket();//获取服务器channel对应的Serverocket对象
 47 
 48         socket.bind(new InetSocketAddress(port));//把socket帮定到监听端口9999上
 49 
 50         server.configureBlocking(false);//将服务器channel设置为非阻塞模式
 51 
 52         server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//将服务器Channel注册到Selector 对象,并指出服务器Channel所感兴趣的时间
 53         
 54 
 55     }
 56     public void run() {
 57 
 58         while(true)
 59         {
 60             try {
 61                 /*
 62                  *应用Select机制循环监控是否有用户感兴趣的网络事件发生，当
 63                  * 没有网络事件发生，此方法处于堵塞状态，
 64                  * 知道有新的网络时间发生为止
 65                  */
 66                 selector.select();
 67 
 68             } catch (IOException ex) {
 69                 Logger.getLogger(Main.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
 70                 continue;
 71             }
 72 
 73 
 74             //得到活动的网络连接选择建的集合
 75 
 76             Set<SelectionKey> keys=selector.selectedKeys();
 77 
 78 
 79             activeSockets=keys.size();
 80 
 81             //如果活动连接数为0，则继续进行循环操作
 82             if(activeSockets==0)
 83             {
 84                 continue;
 85             }
 86 
 87             //遍历整个选择键集合
 88             for(SelectionKey key:keys)
 89             {
 90                 //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
 91 
 92                 if(key.isAcceptable())
 93                 {
 94 
 95                     //执行相关代码
 96                     continue;
 97                 }
 98 
 99 
100 
101                 //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,进行相关的向客户端写述据的操作
102 
103                 if(key.isWritable())
104                 {
105                     //执行相关代码
106 
107                     continue;
108                 }
109             }
110 
111 
112         }
113         
114     }
115 
116 
117 
118     /*
119      *处理服务器事件的操作
120      */
121     public void doServerSocketEvent(SelectionKey key)
122     {
123         SocketChannel client=null;
124         try {
125             client = null;
126             ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
127             client = server.accept();
128 
129             if(client==null)
130             {
131                 return;
132             }
133 
134 
135             client.configureBlocking(false);//将客户端Channel设置为非堵塞型
136 
137 
138 
139             client.register(selector, SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ);
140 
141         } catch (IOException ex) {
142             try {
143                 client.close();
144                 Logger.getLogger(Main.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
145             } catch (IOException ex1) {
146                 Logger.getLogger(Main.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex1);
147             }
148         }
149     }
150 
151 
152 
153 
154     /*
155      *进行向客户端写述据的操作
156      * ＠param key 客户端选择键对象
157      */
158      private void doClientWriteEvent(SelectionKey key)
159     {
160         
161     }
162 
163 
164 
165 
166      /*
167       *进行读取客户端述据操作
168       */
169      private void doClientReadEvent(SelectionKey key)
170      {
171          
172      }
173 
174 
175 
176      
177 
178 }
179 

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。