BIO与NIO比较及例子

说明：nio理论及例子，了解nio的可以跳过本文看hadoop的rpc实现，建议新手看看

一、阻塞式BIO的缺点：

前面自己实现了一个阻塞式BIO服务，采 用BIO通信模型的服务端，通常由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的连接，接收到客户端连接之后为客户端连接创建一个新的线程处理请求消 息，处理完成之后，返回应答消息给客户端，线程销毁，这就是典型的一请求一应答模型。该架构最大的问题就是不具备弹性伸缩能力，当并发访问量增加后，服务 端的线程个数和并发访问数成线性正比，由于线程是JAVA虚拟机非常宝贵的系统资源，当线程数膨胀之后，系统的性能急剧下降，随着并发量的继续增加，可能 会发生句柄溢出、线程堆栈溢出等问题，并导致服务器最终宕机。(http://www.open-open.com/lib/view/open1403057331075.html)

根据阻塞I/O通信模型，它的两缺点：
1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。

(本图来自: http://www.open-open.com/lib/view/open1403057331075.html)

二、异步非阻塞通信的引入

在 IO编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者IO多路复用技术进行处理。IO多路复用技术通过把多个IO的阻塞复用到同一个 select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销 小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。JDK1.4提供了对非阻塞IO（NIO）的支持，JDK1.5_update10版本使用epoll替代了传统的select/poll，极大的提升了NIO通信的性能。

关于NIO知识详细见：点击打开链接 http://blog.csdn.net/lzlchangqi/article/details/41209719 java NIO的工作原理：
1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。 
2. 事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。 
3. 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

如下图：一个线程Reactor用来处理所有io,并分发read、write等事件

                                             （本图来自互联网）

三：结合互联网的例子进行分析NIO：

1、先看例子的源代码，不妨debug调试下

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOServer {

/*标识数字*/
private  int flag = 0;
/*缓冲区大小*/
private  int BLOCK = 4096;
/*接受数据缓冲区*/
private  ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
/*发送数据缓冲区*/
private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
private  Selector selector;

public NIOServer(int port) throws IOException {
// 1、打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 检索与此通道关联的服务器套接字
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
//2、 进行服务的绑定
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
//3、 通过open()方法找到Selector
selector = Selector.open();
//4、注册到selector，等待连接
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("Server Start----8888:");
}


// 监听
private void listen() throws IOException {
while (true) {
// 选择一组键，并且相应的通道已经打开
selector.select();
// 返回此选择器的已选择键集。
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
//5 轮询就绪的key
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
iterator.remove();
handleKey(selectionKey);
}
}
}

// 处理请求
private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
// 接受请求
ServerSocketChannel server = null;
SocketChannel client = null;
String receiveText;
String sendText;
int count=0;
// 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。
//步骤6 handle connect 处理新的客户接入
if (selectionKey.isAcceptable()) {
// 返回为之创建此键的通道。
//步骤7 设置新建连接的socket
server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
// 接受到此通道套接字的连接。
// 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。
client = server.accept();
// 配置为非阻塞
client.configureBlocking(false);
//步骤8   注册到selector，等待连接
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectionKey.isReadable()) {//步骤9：异步处理请求消息到ByteBuffer()，代码中没有步骤10
// 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
//将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear();
//读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count = client.read(receivebuffer);
if (count > 0) {
receivebuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[receivebuffer.remaining()];
receivebuffer.get(bytes);
receiveText = new String(bytes,"utf-8");
System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if (selectionKey.isWritable()) {//步骤11 异步写
//将缓冲区清空以备下次写入
sendbuffer.clear();
// 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
sendText="message from server--" + flag++;
//向缓冲区中输入数据
sendbuffer.put(sendText.getBytes());
 //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip();
//输出到通道
client.write(sendbuffer);
System.out.println("服务器端向客户端发送数据--："+sendText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}

/**
 * @param args
 * @throws IOException
 */
public static void main(String[] args) throws IOException {
// TODO Auto-generated method stub
int port = 8888;
NIOServer server = new NIOServer(port);
server.listen();
}
}

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.Set;

public class NIOClient {

/*标识数字*/
private static int flag = 0;
/*缓冲区大小*/
private static int BLOCK = 4096;
/*接受数据缓冲区*/
private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
/*发送数据缓冲区*/
private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);
/*服务器端地址*/
private final static InetSocketAddress SERVER_ADDRESS = new InetSocketAddress(
"localhost", 8888);

public static void main(String[] args) throws IOException {
// TODO Auto-generated method stub
//步骤1  打开socket的通道socketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//步骤2  设置为非阻塞方式，同时设置tcp参数
socketChannel.configureBlocking(false);
Selector selector = null;


// 异步连接服务器
if (socketChannel.connect(SERVER_ADDRESS)) {

}
else {
//步骤5  注册连接服务端socket动作
selector = Selector.open();
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
// 分配缓冲区大小内存


Set<SelectionKey> selectionKeys;
Iterator<SelectionKey> iterator;
SelectionKey selectionKey;
SocketChannel client;
String receiveText;
String sendText;
int count=0;
               //步骤6 启动线程
while (true) {
//选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
//此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
int ret = selector.select();
//System.out.println(ret);

//返回此选择器的已选择键集。
selectionKeys = selector.selectedKeys();
//System.out.println(selectionKeys.size());
iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {//7 轮询就绪的key
selectionKey = iterator.next();
//4  判断连接结果，如果连接成功，跳到步骤10，如果不成功，执行步骤5
if (selectionKey.isConnectable()) {
System.out.println("client connect");
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
// 判断此通道上是否正在进行连接操作。
// 完成套接字通道的连接过程。8 handle connect()
if (client.isConnectionPending()) {
client.finishConnect();//9 判断连接完成，完成连接
System.out.println("完成连接!");
sendbuffer.clear();
sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());
sendbuffer.flip();
client.write(sendbuffer);
}
//步骤10 向多路复用器注册 OP_READ
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectionKey.isReadable()) {//步骤11 handle read() 异步读请求消息到ByteBuffer
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
//将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear();
//读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count=client.read(receivebuffer);
if(count>0){
receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}

} else if (selectionKey.isWritable()) {//步骤13  异步写ByteBuffer到SocketChannel
sendbuffer.clear();
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
sendText = "message from client--" + (flag++);
sendbuffer.put(sendText.getBytes());
 //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip();
client.write(sendbuffer);
System.out.println("客户端向服务器端发送数据--："+sendText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}
selectionKeys.clear();
}
}
}

2、代码可用如下图说明(图片来自：http://www.open-open.com/lib/view/open1403057331075.html)

       注意：通过debug可以发现Server端handle read后，就直接进行了步骤13，异步写操作，这是因为在步骤11进行了write的注册，因此它不需要client的触发，这就是selector轮询的作用。

按照Reactor模式设计和实现，它的服务端通信序列图如下：

客户端通信序列图如下：

客户端步骤4-6的标注有些牵强，其实在大的程序中是这样的，如hadoop的ipc代码中就是这样，稍后文章会讲解hadoop如何使用nio进行rpc通信。