本篇内容介绍了“Java NIO开发的实例介绍”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!
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 { private ServerSocketChannel server; private Selector selector; private int activeSockets; private int port ; 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 { selector.select(); } catch(IOException e) { continue;//当有异常发生时,继续进行循环操作 } Set<SelectionKey> 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 } for(SelectionKey key :keys) { if(key.isAcceptable()) { doServerSocketEvent(key); continue; } if(key.isReadable()) { doClientReadEvent(key); continue; } if(key.isWritable()) { doClinetWriteEvent(key); continue; } } } } 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 client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ); }catch(IOException e) { try { client.close(); }catch(IOException e1){} } } private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key) { 代码实现略; } 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。
“Java NIO开发的实例介绍”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站,小编将为大家输出更多高质量的实用文章!