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java之NIO简介

朱悟能_9ad4 2023-07-14 阅读 84
客户端java非阻塞Python后端开发

一、NIO基本简介

NIO (New lO)也有人称之为java non-blocking lO是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java lO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其他事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。

  • NIO相关类都被放在java.nio包及子包下，并且对原java.io包中的很多类进行改写。
  • NIO有三大核心部分:Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
  • Java NlO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1000个请求过来,根据实际情况，可以分配20或者80个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配1000个。

BIO的比较

  • BIO以流的方式处理数据,而NIO以块的方式处理数据,块I/O的效率比流IO高很多
  • BIO是阻塞的，NIO则是非阻塞的
  • BlO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

java之NIO简介_客户端

NIO可以先将数据写入到缓冲区，然后再有缓冲区写入通道，因此可以做到同步非阻塞。

BIO则是面向的流，读写数据都是单向的。因此是同步阻塞。

堆内存。字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect()  方法来确定。 使用场景 有很大的数据需要存储，它的生命周期又很长 适合频繁的IO操作，比如网络并发场景

网络编程应用实例-群聊系统

需求:进一步理解 NIO 非阻塞网络编程机制，实现多人群聊

  • 编写一个 NIO 群聊系统，实现客户端与客户端的通信需求（非阻塞）
  • 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
  • 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有客户端用户，同时可以接受其它客户端用户通过服务端转发来的消息

服务端代码：

package nio.chat;
 
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
 
/**
 *
 */
public class Server {
    //定义属性
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel ssChannel;
    private static final int PORT = 9999;
    //构造器
    //初始化工作
    public Server() {
        try {
            // 1、获取通道
            ssChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 2、切换为非阻塞模式
            ssChannel.configureBlocking(false);
            // 3、绑定连接的端口
            ssChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));
            // 4、获取选择器Selector
            selector = Selector.open();
            // 5、将通道都注册到选择器上去，并且开始指定监听接收事件
            ssChannel.register(selector , SelectionKey.OP_ACCEPT);
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //监听
    public void listen() {
        System.out.println("监听线程:" + Thread.currentThread().getName());
        try {
            while (selector.select() > 0){
                // 7、获取选择器中的所有注册的通道中已经就绪好的事件
                Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
                // 8、开始遍历这些准备好的事件
                while (it.hasNext()){
                    // 提取当前这个事件
                    SelectionKey sk = it.next();
                    // 9、判断这个事件具体是什么
                    if(sk.isAcceptable()){
                        // 10、直接获取当前接入的客户端通道
                        SocketChannel schannel = ssChannel.accept();
                        // 11 、切换成非阻塞模式
                        schannel.configureBlocking(false);
                        // 12、将本客户端通道注册到选择器
                        System.out.println(schannel.getRemoteAddress() + " 上线 ");
                        schannel.register(selector , SelectionKey.OP_READ);
                        //提示
                    }else if(sk.isReadable()){
                        //处理读 (专门写方法..)
                        readData(sk);
                    }
 
                    it.remove(); // 处理完毕之后需要移除当前事件
                }
            }
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            //发生异常处理....
 
        }
    }
 
    //读取客户端消息
    private void readData(SelectionKey key) {
        //获取关联的channel
        SocketChannel channel = null;
        try {
            //得到channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            //创建buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int count = channel.read(buffer);
            //根据count的值做处理
            if(count > 0) {
                //把缓存区的数据转成字符串
                String msg = new String(buffer.array());
                //输出该消息
                System.out.println("来自客户端---> " + msg);
                //向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
                sendInfoToOtherClients(msg, channel);
            }
        }catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
                e.printStackTrace();
                //取消注册
                key.cancel();
                //关闭通道
                channel.close();
            }catch (IOException e2) {
                e2.printStackTrace();;
            }
        }
    }
 
    //转发消息给其它客户(通道)
    private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws  IOException{
        System.out.println("服务器转发消息中...");
        System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
        //遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
        for(SelectionKey key: selector.keys()) {
            //通过 key  取出对应的 SocketChannel
            Channel targetChannel = key.channel();
            //排除自己
            if(targetChannel instanceof  SocketChannel && targetChannel != self) {
                //转型
                SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
                //将msg 存储到buffer
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                //将buffer 的数据写入 通道
                dest.write(buffer);
            }
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        //创建服务器对象
        Server groupChatServer = new Server();
        groupChatServer.listen();
    }
}

客户端代码：

package nio.chat;
 
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.Scanner;
 
public class Client {
    //定义相关的属性
    private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
    private final int PORT = 9999; //服务器端口
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;
 
    //构造器, 完成初始化工作
    public Client() throws IOException {
        selector = Selector.open();
        //连接服务器
        socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //将channel 注册到selector
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        //得到username
        username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
        System.out.println(username + " is ok...");
    }
 
    //向服务器发送消息
    public void sendInfo(String info) {
        info = username + " 说：" + info;
        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    //读取从服务器端回复的消息
    public void readInfo() {
        try {
            int readChannels = selector.select();
            if(readChannels > 0) {//有可以用的通道
 
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
 
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if(key.isReadable()) {
                        //得到相关的通道
                        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                        //得到一个Buffer
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        //读取
                        sc.read(buffer);
                        //把读到的缓冲区的数据转成字符串
                        String msg = new String(buffer.array());
                        System.out.println(msg.trim());
                    }
                }
                iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
            } else {
                //System.out.println("没有可以用的通道...");
            }
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //启动我们客户端
        Client chatClient = new Client();
        //启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
        new Thread() {
            public void run() {
                while (true) {
                    chatClient.readInfo();
                    try {
                        Thread.currentThread().sleep(3000);
                    }catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();
 
        //发送数据给服务器端
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextLine()) {
            String s = scanner.nextLine();
            chatClient.sendInfo(s);
        }
    }
}

七、AIO 深入剖析

Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。



AIO：异步非阻塞，基于NIO的，可以称之为NIO2.0 BIO NIO AIO Socket SocketChannel AsynchronousSocketChannel ServerSocket ServerSocketChannel AsynchronousServerSocketChannel



与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可, 这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序

即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在Java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

  • AsynchronousSocketChannel
  • AsynchronousServerSocketChannel
  • AsynchronousFileChannel
  • AsynchronousDatagramChannel
八、总结

BIO、NIO、AIO：

  • Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。
  • Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。
  • Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

  • BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
  • NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
  • AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。Netty!



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