【JAVA基礎(chǔ)】- 同步非阻塞模式NIO詳解

一、概述

NIO（Non-Blocking IO）是同步非阻塞方式來處理IO數(shù)據(jù)。服務(wù)器實現(xiàn)模式為一個請求一個線程，即客戶端發(fā)送的鏈接請求都會注冊到選擇器上，選擇器輪詢到連接有IO請求時才啟動一個線程進(jìn)行處理。

二、常用概念

• 同步(synchronous)：調(diào)用方式指應(yīng)用（Application）,調(diào)用方發(fā)起有一個功能調(diào)用時，在沒有得到功能的結(jié)果之前，該調(diào)用不會返回。也就是說調(diào)用方會一直等待被調(diào)用方返回功能的結(jié)果。
• 異步(asynchronous)：調(diào)用方發(fā)起一個功能調(diào)用時，沒有得到功能的結(jié)果立即返回，后續(xù)被調(diào)用方再通過回調(diào)等手段，把功能的結(jié)構(gòu)通知調(diào)用方。也就是調(diào)用方立即得到返回，但是返回中不包含執(zhí)行的結(jié)果。

同步和異步強(qiáng)調(diào)的是消息通信機(jī)制 (synchronous communication/ asynchronous communication)。所謂同步，就是在發(fā)出一個"調(diào)用"時，在沒有得到結(jié)果之前，該“調(diào)用”就不返回。但是一旦調(diào)用返回，就得到返回值了。換句話說，就是由“調(diào)用者”主動等待這個“調(diào)用”的結(jié)果。而異步則是相反，"調(diào)用"在發(fā)出之后，這個調(diào)用就直接返回了，所以沒有返回結(jié)果。換句話說，當(dāng)一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不會立刻得到結(jié)果。而是在"調(diào)用"發(fā)出后，"被調(diào)用者"通過狀態(tài)、通知來通知調(diào)用者，或通過回調(diào)函數(shù)處理這個調(diào)用

• 阻塞：線程發(fā)起一個調(diào)用時, 在調(diào)用返回之前, 線程會被阻塞, 在這個狀態(tài)下會交出當(dāng)前CPU的使用權(quán)而暫停；也就是調(diào)用方會等待調(diào)用結(jié)果, 調(diào)用阻塞了調(diào)用方的線程, 線程不在運(yùn)行處理中。
• 非阻塞：線程發(fā)起一個調(diào)用時, 調(diào)用會立即返回, 避免線程被阻塞。但是, 返回的結(jié)果只是被調(diào)用方當(dāng)前狀態(tài)的值, 實際使用時, 調(diào)用方需要輪詢, 直到返回結(jié)果符合預(yù)期(直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好)。

阻塞和非阻塞 強(qiáng)調(diào)的是程序在等待調(diào)用結(jié)果（消息，返回值）時的狀態(tài). 阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會被掛起。調(diào)用線程只有在得到結(jié)果之后才會返回。非阻塞調(diào)用指在不能立刻得到結(jié)果之前，該調(diào)用不會阻塞當(dāng)前線程。 對于同步調(diào)用來說，很多時候當(dāng)前線程還是激活的狀態(tài)，只是從邏輯上當(dāng)前函數(shù)沒有返回而已，即同步等待時什么都不干，白白占用著資源。

• 同步阻塞 IO[BIO - BlockingIO]：在此種方式下，用戶進(jìn)程在發(fā)起一個 IO 操作以后，必須等待 IO 操作的完成，只有當(dāng)真正完成了 IO 操作以后，用戶進(jìn)程才能運(yùn)行。 JAVA傳統(tǒng)的 IO 模型屬于此種方式。
• 同步非阻塞 IO[Non-Blocking IO]：在此種方式下，用戶進(jìn)程發(fā)起一個 IO 操作以后 邊可 返回做其它事情，但是用戶進(jìn)程需要時不時的詢問 IO 操作是否就緒，這就要求用戶進(jìn)程不停的去詢問，從而引入不必要的 CPU 資源浪費(fèi)。其中目前 JAVA 的 NIO 就屬于同步非阻塞 IO 。
• 異步阻塞 IO[IO Multiplexing]：此種方式下是指應(yīng)用發(fā)起一個 IO 操作以后，不等待內(nèi)核 IO 操作的完成，等內(nèi)核完成 IO 操作以后會通知應(yīng)用程序，這其實就是同步和異步最關(guān)鍵的區(qū)別，同步必須等待或者主動的去詢問 IO 是否完成，那么為什么說是阻塞的呢？因為此時是通過 select 系統(tǒng)調(diào)用來完成的，而 select 函數(shù)本身的實現(xiàn)方式是阻塞的，而采用 select 函數(shù)有個好處就是它可以同時監(jiān)聽多個文件句柄，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性！
• 異步非阻塞 IO[Asynchronous IO]: 在此種模式下，用戶進(jìn)程只需要發(fā)起一個 IO 操作然后立即返回，等 IO 操作真正的完成以后，應(yīng)用程序會得到 IO 操作完成的通知，此時用戶進(jìn)程只需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就好了，不需要進(jìn)行實際的 IO 讀寫操作，因為 真正的 IO讀取或者寫入操作已經(jīng)由 內(nèi)核完成了。目前 Java 中還沒有支持此種 IO 模型。

三、NIO的實現(xiàn)原理

Java的NIO主要由三個核心部分組成：Channel(通道)、Buffer(緩沖區(qū))、Selector。

所有的IO在NIO中都從一個Channel開始，數(shù)據(jù)可以從Channel讀到Buffer中，也可以從Buffer寫到Channel中。Channel有好幾種類型，其中比較常用的有FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel等，這些通道涵蓋了UDP和TCP網(wǎng)絡(luò)IO以及文件IO。

Buffer本質(zhì)上是一塊可以寫入數(shù)據(jù)，然后可以從中讀取數(shù)據(jù)的內(nèi)存。這塊內(nèi)存被包裝成NIO Buffer對象，并提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內(nèi)存。Java NIO里關(guān)鍵的Buffer實現(xiàn)有CharBuffer、ByteBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。這些Buffer覆蓋了你能通過IO發(fā)送的基本數(shù)據(jù)類型，即byte、short、int、long、float、double、char。

Buffer對象包含三個重要的屬性，分別是capacity、position、limit，其中position和limit的含義取決于Buffer處在讀模式還是寫模式。但不管Buffer處在什么模式，capacity的含義總是一樣的。

capacity：作為一個內(nèi)存塊，Buffer有個固定的最大值，就是capacity。Buffer只能寫capacity個數(shù)據(jù)，一旦Buffer滿了，需要將其清空才能繼續(xù)寫數(shù)據(jù)往里寫數(shù)據(jù)。

position：當(dāng)寫數(shù)據(jù)到Buffer中時，position表示當(dāng)前的位置。初始的position值為0。當(dāng)一個數(shù)據(jù)寫到Buffer后， position會向前移動到下一個可插入數(shù)據(jù)的Buffer單元。position最大可為capacity–1。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時，也是從某個特定位置讀。當(dāng)將Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置為0。當(dāng)從Buffer的position處讀取數(shù)據(jù)時，position向前移動到下一個可讀的位置。

limit：在寫模式下，Buffer的limit表示最多能往Buffer里寫多少數(shù)據(jù)，此時limit等于capacity。當(dāng)切換Buffer到讀模式時， limit表示你最多能讀到多少數(shù)據(jù)，此時limit會被設(shè)置成寫模式下的position值。

Selector允許單線程處理多個 Channel，如果你的應(yīng)用打開了多個連接（通道），但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。要使用Selector，得向Selector注冊Channel，然后調(diào)用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個注冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件例如有新連接進(jìn)來，數(shù)據(jù)接收等。

四、NIO代碼實現(xiàn)

客戶端實現(xiàn)

• 步驟

  1. 創(chuàng)建SocketChannel 通道
  2. 切換異步非阻塞模式configureBlocking(false)
  3. 設(shè)置緩沖區(qū)大小ByteBuffer.allocate(1024)
  4. 值寫入緩沖區(qū) buffer.put(input.getBytes())
  5. 緩沖區(qū)中的值寫入通道中channel.write()

• 代碼演示

  public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創(chuàng)建通道
        SocketChannel channel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",6001));
        //切換異步非阻塞模式
        channel.configureBlocking(false);
        //設(shè)置緩沖去大小
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
        System.out.println("輸入傳輸值：");
        //獲取鍵盤輸入的值
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNext()){
            String input=scanner.next();
            //把獲取的值寫入緩沖區(qū)中
            buffer.put(input.getBytes());
            buffer.flip();
            //把緩沖區(qū)中的值寫入通道中
            channel.write(buffer);
            buffer.clear();
         }
         channel.close();
   }
  

服務(wù)端實現(xiàn)

• 步驟

  1. 創(chuàng)建ServerSocketChannel通道
  2. 切換異步非阻塞模式configureBlocking(false)
  3. 綁定連接
  4. 獲取選擇器 Selector open = Selector.open()
  5. 將通道注冊到選擇器，并指定監(jiān)聽接受事件
  6. 輪訓(xùn)式獲取選擇已準(zhǔn)備就緒的事件
  7. 獲取當(dāng)前選擇器所有注冊的監(jiān)聽事件
  8. 獲取準(zhǔn)備就緒的事件
  9. 判斷是什么事件準(zhǔn)備就緒
  10. 接受就緒，獲取客戶端連接
  11. 設(shè)置非阻塞異步模式
  12. 將通道注冊到服務(wù)器上

• 代碼演示

  public static void main(String[] args) throws IOException {
      //創(chuàng)建通道
      ServerSocketChannel channel=ServerSocketChannel.open();
      //切換到異步非阻塞模式
      channel.configureBlocking(false);
      //綁定鏈接
      channel.bind(new InetSocketAddress(6001));
          //獲取選擇器
          Selector open = Selector.open();
          //將通道注冊到選擇器,并指定監(jiān)聽接受事件
          channel.register(open, SelectionKey.OP_ACCEPT);
          //輪訓(xùn)式獲取選擇已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的事件
          while(open.select() > 0) {
              //獲取當(dāng)前選擇器所有注冊的監(jiān)聽事件
              Iterator<SelectionKey> it = open.selectedKeys().iterator();
              while(it.hasNext()) {
                  //獲取準(zhǔn)備就緒的事件
                  SelectionKey sk = it.next();
                  //判斷是什么事件準(zhǔn)備就緒
                  if(sk.isAcceptable()) {
                      //接受就緒，獲取客戶端連接
                      SocketChannel sc = channel.accept();
                      //設(shè)置非阻塞異步模式
                      sc.configureBlocking(false);
                      //將通道注冊到服務(wù)器上
                      sc.register(open, SelectionKey.OP_READ);
                  } else if(sk.isReadable()) {
                      //獲取當(dāng)前選擇器就緒的通道
                      SocketChannel s =  (SocketChannel) sk.channel();
                      ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(1024);
                      int len = 0;
                      while((len = s.read(bb)) > 0) {
                          bb.flip();
                          System.out.println(new String(bb.array(),0,len));
                          bb.clear();
                      }
                 }
            }
           it.remove();
       }
  
  }
  

五、同步非阻塞NIO總結(jié)

同步非阻塞的特點：應(yīng)用程序的線程需要不斷的進(jìn)行IO系統(tǒng)調(diào)用，輪詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，如果沒有準(zhǔn)備好，就繼續(xù)輪詢，直到完成IO系統(tǒng)調(diào)用為止。

同步非阻塞IO的特點：每次發(fā)起的IO系統(tǒng)調(diào)用，在內(nèi)核等待數(shù)據(jù)過程中可以立即返回。用戶線程不會被阻塞，實時性較好。

同步非阻塞IO的缺點： 不斷地輪詢內(nèi)核，這將占用大量的CPU時間，效率低下。

總體來說，在高并發(fā)應(yīng)用場景下，同步非阻塞IO也是不可用的。一般Web服務(wù)器不適用這種IO模型。這種IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-647960.html

到了這里，關(guān)于【JAVA基礎(chǔ)】- 同步非阻塞模式NIO詳解的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！