高并发Java(8):NIO和AIO

IO感觉上和多线程并没有多大关系,但是NIO改变了线程在应用层面使用的方式,也解决了一些实际的困难。而AIO是异步IO和前面的系列也有点关系。在此,为了学习和记录,也写一篇文章来介绍NIO和AIO。

1. 什么是NIO

NIO是New I/O的简称,与旧式的基于流的I/O方法相对,从名字看,它表示新的一套Java I/O标 准。它是在Java 1.4中被纳入到JDK中的,并具有以下特性:

  • NIO是基于块(Block)的,它以块为基本单位处理数据 (硬盘上存储的单位也是按Block来存储,这样性能上比基于流的方式要好一些)
  • 为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持
  • 增加通道(Channel)对象,作为新的原始 I/O 抽象
  • 支持锁(我们在平时使用时经常能看到会出现一些.lock的文件,这说明有线程正在使用这把锁,当线程释放锁时,会把这个文件删除掉,这样其他线程才能继续拿到这把锁)和内存映射文件的文件访问接口
  • 提供了基于Selector的异步网络I/O

所有的从通道中的读写操作,都要经过Buffer,而通道就是io的抽象,通道的另一端就是操纵的文件。

2. Buffer

Java中Buffer的实现。基本的数据类型都有它对应的Buffer

Buffer的简单使用例子:

package test;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class Test {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		FileInputStream fin = new FileInputStream(new File(
				"d:\\temp_buffer.tmp"));
		FileChannel fc = fin.getChannel();
		ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
		fc.read(byteBuffer);
		fc.close();
		byteBuffer.flip();//读写转换
	}
}

总结下使用的步骤是:

1. 得到Channel

2. 申请Buffer

3. 建立Channel和Buffer的读/写关系

4. 关闭

下面的例子是使用NIO来复制文件:

public static void nioCopyFile(String resource, String destination)
			throws IOException {
		FileInputStream fis = new FileInputStream(resource);
		FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destination);
		FileChannel readChannel = fis.getChannel(); // 读文件通道
		FileChannel writeChannel = fos.getChannel(); // 写文件通道
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 读入数据缓存
		while (true) {
			buffer.clear();
			int len = readChannel.read(buffer); // 读入数据
			if (len == -1) {
				break; // 读取完毕
			}
			buffer.flip();
			writeChannel.write(buffer); // 写入文件
		}
		readChannel.close();
		writeChannel.close();
	}

Buffer中有3个重要的参数:位置(position)、容量(capactiy)和上限(limit)

这里要区别下容量和上限,比如一个Buffer有10KB,那么10KB就是容量,我将5KB的文件读到Buffer中,那么上限就是5KB。

下面举个例子来理解下这3个重要的参数:

public static void main(String[] args) throws Exception {
		ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(15); // 15个字节大小的缓冲区
		System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()
				+ " position=" + b.position());
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			// 存入10个字节数据
			b.put((byte) i);
		}
		System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()
				+ " position=" + b.position());
		b.flip(); // 重置position
		System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()
				+ " position=" + b.position());
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			System.out.print(b.get());
		}
		System.out.println();
		System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()
				+ " position=" + b.position());
		b.flip();
		System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()
				+ " position=" + b.position());

	}

整个过程如图:

此时position从0到10,capactiy和limit不变。

该操作会重置position,通常,将buffer从写模式转换为读 模式时需要执行此方法 flip()操作不仅重置了当前的position为0,还将limit设置到当前position的位置 。

limit的意义在于,来确定哪些数据是有意义的,换句话说,从position到limit之间的数据才是有意义的数据,因为是上次操作的数据。所以flip操作往往是读写转换的意思。

意义同上。

而Buffer中大多数的方法都是去改变这3个参数来达到某些功能的:

public final Buffer rewind()

将position置零,并清除标志位(mark)

public final Buffer clear()

将position置零,同时将limit设置为capacity的大小,并清除了标志mark

public final Buffer flip()

先将limit设置到position所在位置,然后将position置零,并清除标志位mark,通常在读写转换时使用

文件映射到内存

public static void main(String[] args) throws Exception {
		RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("C:\\mapfile.txt", "rw");
		FileChannel fc = raf.getChannel();
		// 将文件映射到内存中
		MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0,
				raf.length());
		while (mbb.hasRemaining()) {
			System.out.print((char) mbb.get());
		}
		mbb.put(0, (byte) 98); // 修改文件
		raf.close();
	}

对MappedByteBuffer的修改就相当于修改文件本身,这样操作的速度是很快的。

3. Channel

多线程网络服务器的一般结构:

简单的多线程服务器:

public static void main(String[] args) throws Exception {
		ServerSocket echoServer = null;
		Socket clientSocket = null;
		try {
			echoServer = new ServerSocket(8000);
		} catch (IOException e) {
			System.out.println(e);
		}
		while (true) {
			try {
				clientSocket = echoServer.accept();
				System.out.println(clientSocket.getRemoteSocketAddress()
						+ " connect!");
				tp.execute(new HandleMsg(clientSocket));
			} catch (IOException e) {
				System.out.println(e);
			}
		}
	}

功能就是服务器端读到什么数据,就向客户端回写什么数据。

这里的tp是一个线程池,HandleMsg是处理消息的类。

static class HandleMsg implements Runnable{  
		 省略部分信息                 
		 public void run(){         
			 try {         
				 is = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())); 
				 os = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true); 
				 // 从InputStream当中读取客户端所发送的数据              
				 String inputLine = null;                 
				 long b=System. currentTimeMillis ();                 
				 while ((inputLine = is.readLine()) != null)
				 {           
					 os.println(inputLine);                 
				 }                 
				 long e=System. currentTimeMillis ();                 
				 System. out.println ("spend:"+(e - b)+" ms ");             
			} catch (IOException e) {                 
				e.printStackTrace();             
			}finally
			{  
				关闭资源 
			}     
		} 
	 }

客户端:

public static void main(String[] args) throws Exception {
		Socket client = null;
		PrintWriter writer = null;
		BufferedReader reader = null;
		try {
			client = new Socket();
			client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8000));
			writer = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);
			writer.println("Hello!");
			writer.flush();
			reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(
					client.getInputStream()));
			System.out.println("from server: " + reader.readLine());
		} catch (Exception e) {
		} finally {
			// 省略资源关闭
		}
	}

以上的网络编程是很基本的,使用这种方式,会有一些问题:

为每一个客户端使用一个线程,如果客户端出现延时等异常,线程可能会被占用很长时间。因为数据的准备和读取都在这个线程中。此时,如果客户端数量众多,可能会消耗大量的系统资源。

解决方案:

使用非阻塞的NIO (读取数据不等待,数据准备好了再工作)

为了体现NIO使用的高效。

这里先模拟一个低效的客户端来模拟因网络而延时的情况:

private static ExecutorService tp= Executors.newCachedThreadPool();  
		private static final int sleep_time=1000*1000*1000;  
		public static class EchoClient implements Runnable{   
			public void run(){          
				try {              
					client = new Socket();              
					client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8000)); 
					writer = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true); 
					writer.print("H");              
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);       
					writer.print("e");           
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);      
					writer.print("l");       
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);  
					writer.print("l");       
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);  
					writer.print("o");     
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);  
					writer.print("!");         
					LockSupport.parkNanos(sleep_time);    
					writer.println();      
					writer.flush(); 
				}catch(Exception e)
				{
				}
			}
		}

服务器端输出:

spend:6000ms 
spend:6000ms 
spend:6000ms 
spend:6001ms 
spend:6002ms 
spend:6002ms 
spend:6002ms 
spend:6002ms 
spend:6003ms 
spend:6003ms

因为

while ((inputLine = is.readLine()) != null)

是阻塞的,所以时间都花在等待中。

如果用NIO来处理这个问题会怎么做呢?

NIO有一个很大的特点就是:把数据准备好了再通知我

而Channel有点类似于流,一个Channel可以和文件或者网络Socket对应 。

selector是一个选择器,它可以选择某一个Channel,然后做些事情。

一个线程可以对应一个selector,而一个selector可以轮询多个Channel,而每个Channel对应了一个Socket。

与上面一个线程对应一个Socket相比,使用NIO后,一个线程可以轮询多个Socket。

当selector调用select()时,会查看是否有客户端准备好了数据。当没有数据被准备好时,select()会阻塞。平时都说NIO是非阻塞的,但是如果没有数据被准备好还是会有阻塞现象。

当有数据被准备好时,调用完select()后,会返回一个SelectionKey,SelectionKey表示在某个selector上的某个Channel的数据已经被准备好了。

只有在数据准备好时,这个Channel才会被选择。

这样NIO实现了一个线程来监控多个客户端。

而刚刚模拟的网络延迟的客户端将不会影响NIO下的线程,因为某个Socket网络延迟时,数据还未被准备好,selector是不会选择它的,而会选择其他准备好的客户端。

selectNow()与select()的区别在于,selectNow()是不阻塞的,当没有客户端准备好数据时,selectNow()不会阻塞,将返回0,有客户端准备好数据时,selectNow()返回准备好的客户端的个数。

主要代码:

package test;

import java.net.InetAddress;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
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.nio.channels.spi.AbstractSelector;
import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MultiThreadNIOEchoServer {
	public static Map<Socket, Long> geym_time_stat = new HashMap<Socket, Long>();

	class EchoClient {
		private LinkedList<ByteBuffer> outq;

		EchoClient() {
			outq = new LinkedList<ByteBuffer>();
		}

		public LinkedList<ByteBuffer> getOutputQueue() {
			return outq;
		}

		public void enqueue(ByteBuffer bb) {
			outq.addFirst(bb);
		}
	}

	class HandleMsg implements Runnable {
		SelectionKey sk;
		ByteBuffer bb;

		public HandleMsg(SelectionKey sk, ByteBuffer bb) {
			super();
			this.sk = sk;
			this.bb = bb;
		}

		@Override
		public void run() {
			// TODO Auto-generated method stub
			EchoClient echoClient = (EchoClient) sk.attachment();
			echoClient.enqueue(bb);
			sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
			selector.wakeup();
		}

	}

	private Selector selector;
	private ExecutorService tp = Executors.newCachedThreadPool();

	private void startServer() throws Exception {
		selector = SelectorProvider.provider().openSelector();
		ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
		ssc.configureBlocking(false);
		InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(8000);
		ssc.socket().bind(isa);
		// 注册感兴趣的事件,此处对accpet事件感兴趣
		SelectionKey acceptKey = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		for (;;) {
			selector.select();
			Set readyKeys = selector.selectedKeys();
			Iterator i = readyKeys.iterator();
			long e = 0;
			while (i.hasNext()) {
				SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();
				i.remove();
				if (sk.isAcceptable()) {
					doAccept(sk);
				} else if (sk.isValid() && sk.isReadable()) {
					if (!geym_time_stat.containsKey(((SocketChannel) sk
							.channel()).socket())) {
						geym_time_stat.put(
								((SocketChannel) sk.channel()).socket(),
								System.currentTimeMillis());
					}
					doRead(sk);
				} else if (sk.isValid() && sk.isWritable()) {
					doWrite(sk);
					e = System.currentTimeMillis();
					long b = geym_time_stat.remove(((SocketChannel) sk
							.channel()).socket());
					System.out.println("spend:" + (e - b) + "ms");
				}
			}
		}
	}

	private void doWrite(SelectionKey sk) {
		// TODO Auto-generated method stub
		SocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();
		EchoClient echoClient = (EchoClient) sk.attachment();
		LinkedList<ByteBuffer> outq = echoClient.getOutputQueue();
		ByteBuffer bb = outq.getLast();
		try {
			int len = channel.write(bb);
			if (len == -1) {
				disconnect(sk);
				return;
			}
			if (bb.remaining() == 0) {
				outq.removeLast();
			}
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
			disconnect(sk);
		}
		if (outq.size() == 0) {
			sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
		}
	}

	private void doRead(SelectionKey sk) {
		// TODO Auto-generated method stub
		SocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();
		ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(8192);
		int len;
		try {
			len = channel.read(bb);
			if (len < 0) {
				disconnect(sk);
				return;
			}
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
			disconnect(sk);
			return;
		}
		bb.flip();
		tp.execute(new HandleMsg(sk, bb));
	}

	private void disconnect(SelectionKey sk) {
		// TODO Auto-generated method stub
		//省略略干关闭操作
	}

	private void doAccept(SelectionKey sk) {
		// TODO Auto-generated method stub
		ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) sk.channel();
		SocketChannel clientChannel;
		try {
			clientChannel = server.accept();
			clientChannel.configureBlocking(false);
			SelectionKey clientKey = clientChannel.register(selector,
					SelectionKey.OP_READ);
			EchoClient echoClinet = new EchoClient();
			clientKey.attach(echoClinet);
			InetAddress clientAddress = clientChannel.socket().getInetAddress();
			System.out.println("Accepted connection from "
					+ clientAddress.getHostAddress());
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		MultiThreadNIOEchoServer echoServer = new MultiThreadNIOEchoServer();
		try {
			echoServer.startServer();
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}

	}

}

代码仅作参考,主要的特点是,对不同事件的感兴趣来做不同的事。

当用之前模拟的那个延迟的客户端时,这次的时间消耗就在2ms到11ms之间了。性能提升是很明显的。

总结:

1. NIO会将数据准备好后,再交由应用进行处理,数据的读取/写入过程依然在应用线程中完成,只是将等待的时间剥离到单独的线程中去。

2. 节省数据准备时间(因为Selector可以复用)

5. AIO

AIO的特点:

1. 读完了再通知我

2. 不会加快IO,只是在读完后进行通知

3. 使用回调函数,进行业务处理

AIO的相关代码:

AsynchronousServerSocketChannel

server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind( new InetSocketAddress (PORT));

使用server上的accept方法

public abstract <A> void accept(A attachment,CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,? super A> handler);

CompletionHandler为回调接口,当有客户端accept之后,就做handler中的事情。

示例代码:

server.accept(null,
				new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
					final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

					public void completed(AsynchronousSocketChannel result,
							Object attachment) {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName());
						Future<Integer> writeResult = null;
						try {
							buffer.clear();
							result.read(buffer).get(100, TimeUnit.SECONDS);
							buffer.flip();
							writeResult = result.write(buffer);
						} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
							e.printStackTrace();
						} catch (TimeoutException e) {
							e.printStackTrace();
						} finally {
							try {
								server.accept(null, this);
								writeResult.get();
								result.close();
							} catch (Exception e) {
								System.out.println(e.toString());
							}
						}
					}

					@Override
					public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
						System.out.println("failed: " + exc);
					}
				});

这里使用了Future来实现即时返回,关于Future请参考上一篇

在理解了NIO的基础上,看AIO,区别在于AIO是等读写过程完成后再去调用回调函数。

NIO是同步非阻塞的

AIO是异步非阻塞的

由于NIO的读写过程依然在应用线程里完成,所以对于那些读写过程时间长的,NIO就不太适合。

而AIO的读写过程完成后才被通知,所以AIO能够胜任那些重量级,读写过程长的任务。

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