上篇说了最基础的五种IO模型,相信大家对IO相关的概念应该有了一定的了解,这篇文章主要讲讲基于多路复用IO的Java NIO。

背景

Java诞生至今,有好多种IO模型,从最早的Java IO到后来的Java NIO以及最新的Java AIO,每种IO模型都有它自己的特点,详情请看我的上篇文章Java IO初探,而其中的的Java NIO应用非常广泛,尤其是在高并发领域,比如我们常见的Netty,Mina等框架,都是基于它实现的,相信大家都有所了解,下面让我们来看看Java NIO的具体架构。

Java NIO架构

其实Java NIO模型相对来说也还是比较简单的,它的核心主要有三个,分别是:Selector、Channel和Buffer,我们先来看看它们之间的关系:

java-nio

它们之间的关系很清晰,一个线程对应着一个Selector,一个 Selector 对应着多个Channel,一个Channel对应着一个Buffer,当然这只是通常的做法,一个Channel也可以对应多个Selector,一个Channel对应着多个Buffer。

Selector

个人认为Selector是Java NIO的最大特点,之前我们说过,传统的Java IO在面对大量IO请求的时候有心无力,因为每个维护每一个IO请求都需要一个线程,这带来的问题就是,系统资源被极度消耗,吞吐量直线下降,引起系统相关问题,那么Java NIO是如何解决这个问题的呢?答案就是Selector,简单来说它对应着多路IO复用中的监管角色,它负责统一管理IO请求,监听相应的IO事件,并通知对应的线程进行处理,这种模式下就无需为每个IO请求单独分配一个线程,另外也减少线程大量阻塞,资源利用率下降的情况,所以说Selector是Java NIO的精髓,在Java中我们可以这么写:

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// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 进行服务的绑定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8001));
// 通过open()方法找到Selector
Selector selector = Selector.open();
// 注册到selector,等待连接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
...

Channel

Channel本意是通道的意思,简单来说,它在Java NIO中表现的就是一个数据通道,但是这个通道有一个特点,那就是它是双向的,也就是说,我们可以从通道里接收数据,也可以向通道里写数据,不用像Java BIO那样,读数据和写数据需要不同的数据通道,比如最常见的Inputstream和Outputstream,但是它们都是单向的,Channel作为一种全新的设计,它帮助系统以相对小的代价来保持IO请求数据传输的处理,但是它并不真正存放数据,它总是结合着缓存区(Buffer)一起使用,另外Channel主要有以下四种:

  • FileChannel:读写文件时使用的通道
  • DatagramChannel:传输UDP连接数据时的通道,与Java IO中的DatagramSocket对应
  • SocketChannel:传输TCP连接数据时的通道,与Java IO中的Socket对应
  • ServerSocketChannel: 监听套接词连接时的通道,与Java IO中的ServerSocket对应

当然其中最重要以及最常用的就是SocketChannel和ServerSocketChannel,也是Java NIO的精髓,ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式,然后结合 Selector 就可以实现多路复用IO,使用一个线程管理多个Socket连接,具体使用可以参数上面的代码。

Buffer

顾名思义,Buffer的含义是缓冲区,它在Java NIO中的主要作用就是作为数据的缓冲区域,Buffer对应着某一个Channel,从Channel中读取数据或者向Channel中写数据,Buffer与数组很类似,但是它提供了更多的特性,方便我们对Buffer中的数据进行操作,后面我也会主要分析它的三个属性capacity,position和limit,我们先来看一下Buffer分配时的类别(这里不是指Buffer的具体数据类型)即Direct Buffer和Heap Buffer,那么为什么要有这两种类别的Buffer呢?我们先来看看它们的特性:

Direct Buffer:

  • 直接分配在系统内存中;
  • 不需要花费将数据库从内存拷贝到Java内存中的成本;
  • 虽然Direct Buffer是直接分配中系统内存中的,但当它被重复利用时,只有真正需要数据的那一页数据会被装载到真是的内存中,其它的还存在在虚拟内存中,不会造成实际内存的资源浪费;
  • 可以结合特定的机器码,一次可以有顺序的读取多字节单元;
  • 因为直接分配在系统内存中,所以它不受Java GC管理,不会自动回收;
  • 创建以及销毁的成本比较高;

Heap Buffer:

  • 分配在Java Heap,受Java GC管理生命周期,不需要额外维护;
  • 创建成本相对较低;

根据它们的特性,我们可以大致总结出它们的适用场景:

如果这个Buffer可以重复利用,而且你也想多个字节操作,亦或者你对性能要求很高,可以选择使用Direct Buffer,但其编码相对来说会比较复杂,需要注意的点也更多,反之则用Heap Buffer,Buffer的相应创建方法:

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//创建Heap Buffer
ByteBuffer heapBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//创建Direct Buffer
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

下面我们来看看它的三个属性:

  • Capacity:顾名思义它的含义是容量,代表着Buffer的最大容量,与数组的Size很类似,初始化不可更改,除非你改变的Buffer的结构;
  • Limit:顾名思义它的含义是界限,代表着Buffer的目前可使用的最大限制,写模式下,一般Limit等于Capacity,读模式下需要你自己控制它的值结合position读取想要的数据;
  • Position:顾名思义它的含义是位置,代表着Buffer目前操作的位置,通俗来说,就是你下次对Buffer进行操作的起始位置;

接下来我会用一个图解的列子帮助大家理解,现在我们假设有一个容量为10的Buffer,我们先往里面写入一定字节的数据,然后再根据编码规则从其中读取我们需要的数据:

1.初始Buffer:

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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

init-buffer

2.向Buffer中写入两个字节:

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buffer.put("my".getBytes());

write-buffer-1

3.再Buffer中写入四个字节:

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buffer.put("blog".getBytes());

write-buffer-2

4.现在我们需要从Buffer中获取数据,首先我们先将写模式转换为读模式:

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buffer.flip();

我们来看看flip()方法到底做了什么事?

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public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

从源码中可以看出,flip方法根据Buffer目前的相应属性来修改对应的属性,所以flip()方法之后,Buffer目前的状态:

read-buffer

5.接着我们从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有多种方式,比如get(),get(byte [])等,相关的具体方法使用可以参考Buffer的官方API文档,这里我们用最简单的get()来获取数据:

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byte a = buffer.get();
byte b = buffer.get();

此时Buffer的状态如下图所示:

read-buffer-2

我们可以按照这种方式读取完我们所需数据,最终调用clear()方法将Buffer置为初始状态。

总结

这篇文章主要讲解了Java NIO中重要的三个组成部分,在实际使用过程也是比较重要的,掌握它们之间的关系,可以让你对Java NIO的整个架构更加熟悉,理解相对来说也会更加深刻,并分析了这种模式是如何与多路复用IO模型的映射,了解Java NIO在高并发场景下优势的原因。