Java Nio学习手记[收集]

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.

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:

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。

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。


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