2002 年 3 月 12 日
Java
技術(shù)平臺(tái)早就應(yīng)該提供非阻塞 I/O 機(jī)制了。幸運(yùn)的是，Merlin（JDK 1.4）有一根幾乎在各個(gè)場(chǎng)合都適用的魔杖，而解除阻塞了的 I/O
的阻塞狀態(tài)正是這位魔術(shù)師的專長(zhǎng)。軟件工程師 Aruna Kalagnanam 和 Balu G 介紹了 Merlin 的新 I/O 包 ―
java.nio（NIO）― 的這種非阻塞功能，并且用一個(gè)套接字編程示例向您展示 NIO 能做些什么。請(qǐng)單擊本文頂部或底部的 討論，在
討論論壇與作者及其他讀者分享您關(guān)于本文的心得。
服務(wù)器在合理的時(shí)
間之內(nèi)處理大量客戶機(jī)請(qǐng)求的能力取決于服務(wù)器使用 I/O 流的效率。同時(shí)為成百上千個(gè)客戶機(jī)提供服務(wù)的服務(wù)器必須能夠并發(fā)地使用 I/O
服務(wù)。Java 平臺(tái)直到 JDK 1.4（也就是 Merlin）才支持非阻塞 I/O 調(diào)用。用 Java
語(yǔ)言寫的服務(wù)器，由于其線程與客戶機(jī)之比幾乎是一比一，因而易于受到大量線程開銷的影響，其結(jié)果是既導(dǎo)致了性能問(wèn)題又缺乏可伸縮性。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，Java 平臺(tái)的最新發(fā)行版引入了一組新的類。Merlin 的 java.nio 包充滿了解決線程開銷問(wèn)題的技巧，包中最重要的是新的
SelectableChannel 類和
Selector 類。
通道（channel）是客戶機(jī)和服務(wù)器之間的一種通信方式。
選擇器（selector）與 Windows 消息循環(huán)類似，它從不同客戶機(jī)捕獲各種事件并將它們分派到相應(yīng)的事件處理程序。在本文，我們將向您展示這兩個(gè)類如何協(xié)同工作，從而為 Java 平臺(tái)創(chuàng)建非阻塞 I/O 機(jī)制。
Merlin 之前的 I/O 編程
我們將從考察基礎(chǔ)的、Merlin 之前的服務(wù)器-套接字（server-socket）程序開始。在
ServerSocket 類的生存期中，其重要功能如下：
- 接受傳入連接
- 從客戶機(jī)讀取請(qǐng)求
- 為請(qǐng)求提供服務(wù)
我們來(lái)考察一下以上每一個(gè)步驟，我們用代碼片段來(lái)說(shuō)明。 首先，我們創(chuàng)建一個(gè)新的
ServerSocket ：
ServerSocket s = new ServerSocket();
|
接著，我們要接受傳入調(diào)用。這里，調(diào)用
accept() 應(yīng)該可以完成任務(wù)，但其中有個(gè)小陷阱您得當(dāng)心：
Socket conn = s.accept( );
|
對(duì)
accept() 的調(diào)用將一直阻塞，直到服務(wù)器套接字接受了一個(gè)請(qǐng)求連接的客戶機(jī)請(qǐng)求。一旦建立了連接，服務(wù)器就使用
LineNumberReader 讀取客戶機(jī)請(qǐng)求。因?yàn)? LineNumberReader 要到緩沖區(qū)滿時(shí)才成批地讀取數(shù)據(jù)，所以這個(gè)調(diào)用在讀時(shí)阻塞。 下面的片段顯示了工作中的
LineNumberReader （阻塞等等）。
InputStream in = conn.getInputStream();
InputStreamReader rdr = new InputStreamReader(in);
LineNumberReader lnr = new LineNumberReader(rdr);
Request req = new Request();
while (!req.isComplete() )
{
String s = lnr.readLine();
req.addLine(s);
}
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InputStream.read() 是另一種讀取數(shù)據(jù)的方式。不幸的是，
read 方法也要一直阻塞到數(shù)據(jù)可用為止，
write 方法也一樣，。
圖 1 描繪了服務(wù)器的典型工作過(guò)程。黑體線表示處于阻塞的操作。
圖 1. 典型的工作中的服務(wù)器
在 JDK 1.4 之前，自由地使用線程是處理阻塞問(wèn)題最典型的辦法。但這個(gè)解決辦法會(huì)產(chǎn)生它自己的問(wèn)題 ― 即線程開銷，線程開銷同時(shí)影響性能和可伸縮性。不過(guò)，隨著 Merlin 和 java.nio 包的到來(lái)，一切都變了。
在下面的幾個(gè)部分中，我們將考察 java.nio 的基本思想，然后把我們所學(xué)到的一些知識(shí)應(yīng)用于修改前面描述的服務(wù)器-套接字示例。
反應(yīng)器模式（Reactor pattern）
NIO
設(shè)計(jì)背后的基石是反應(yīng)器設(shè)計(jì)模式。
分布式系統(tǒng)中的服務(wù)器應(yīng)用程序必須處理多個(gè)向它們發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求的客戶機(jī)。然而，在調(diào)用特定的服務(wù)之前，服務(wù)器應(yīng)用程序必須將每個(gè)傳入請(qǐng)求多路分用并分派到
各自相應(yīng)的服務(wù)提供者。反應(yīng)器模式正好適用于這一功能。它允許事件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序?qū)⒎?wù)請(qǐng)求多路分用并進(jìn)行分派，然后，這些服務(wù)請(qǐng)求被并發(fā)地從一個(gè)或多個(gè)客
戶機(jī)傳送到應(yīng)用程序。
反應(yīng)器模式與觀察者模式（Observer pattern）在這個(gè)方面極為相似：當(dāng)一個(gè)主體發(fā)生改變時(shí)，所有依屬體都得到通知。不過(guò)，觀察者模式與單個(gè)事件源關(guān)聯(lián)，而反應(yīng)器模式則與多個(gè)事件源關(guān)聯(lián)。
請(qǐng)參閱
參考資料了解關(guān)于反應(yīng)器模式的更多信息。
通道和選擇器
NIO 的非阻塞 I/O 機(jī)制是圍繞
選擇器和
通道構(gòu)建的。
Channel 類表示服務(wù)器和客戶機(jī)之間的一種通信機(jī)制。與反應(yīng)器模式一致，
Selector 類是
Channel 的多路復(fù)用器。
Selector 類將傳入客戶機(jī)請(qǐng)求多路分用并將它們分派到各自的請(qǐng)求處理程序。
我們將仔細(xì)考察
Channel 類和
Selector 類的各個(gè)功能，以及這兩個(gè)類如何協(xié)同工作，創(chuàng)建非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)。
通道做什么
通
道表示連到一個(gè)實(shí)體（例如：硬件設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò)套接字或者能執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)不同 I/O
操作（例如：讀或?qū)懀┑某绦蚪M件）的開放連接?？梢援惒降仃P(guān)閉和中斷 NIO 通道。所以，如果一個(gè)線程在某條通道的 I/O
操作上阻塞時(shí)，那么另一個(gè)線程可以將這條通道關(guān)閉。類似地，如果一個(gè)線程在某條通道的 I/O 操作上阻塞時(shí)，那么另一個(gè)線程可以中斷這個(gè)阻塞線程。
圖 2. java.nio.channels 的類層次結(jié)構(gòu)
如圖 2 所示，在 java.nio.channels 包中有不少通道接口。我們主要關(guān)心
java.nio.channels.SocketChannel 接口和
java.nio.channels.ServerSocketChannel 接口。 這兩個(gè)接口可用來(lái)分別代替
java.net.Socket 和
java.net.ServerSocket 。盡管我們當(dāng)然將把注意力放在以非阻塞方式使用通道上，但通道可以以阻塞方式或非阻塞方式使用。
創(chuàng)建一條非阻塞通道
為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的非阻塞套接字讀和寫操作，我們要處理兩個(gè)新類。它們是來(lái)自 java.net 包的
InetSocketAddress 類，它指定連接到哪里，以及來(lái)自 java.nio.channels 包的
SocketChannel 類，它執(zhí)行實(shí)際的讀和寫操作。
這部分中的代碼片段顯示了一種經(jīng)過(guò)修改的、非阻塞的辦法來(lái)創(chuàng)建基礎(chǔ)的服務(wù)器-套接字程序。請(qǐng)注意這些代碼樣本與第一個(gè)示例中所用的代碼之間的變化，從添加兩個(gè)新類開始：
String host = ......;
InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(host, 80);
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.connect(socketAddress);
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緩沖區(qū)的角色
Buffer 是包含特定基本數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的抽象類。從本質(zhì)上說(shuō)，它是一個(gè)包裝器，它將帶有 getter/setter 方法的固定大小的數(shù)組包裝起來(lái)，這些 getter/setter 方法使得緩沖區(qū)的內(nèi)容可以被訪問(wèn)。
Buffer 類有許多子類，如下：
-
ByteBuffer
-
CharBuffer
-
DoubleBuffer
-
FloatBuffer
-
IntBuffer
-
LongBuffer
-
ShortBuffer
ByteBuffer 是唯一支持對(duì)其它類型進(jìn)行讀寫的類，因?yàn)槠渌惗际翘囟ㄓ陬愋偷摹Ｒ坏┻B接上，就可以使用
ByteBuffer 對(duì)象從通道讀數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫到通道。請(qǐng)參閱
參考資料了解關(guān)于
ByteBuffer 的更多信息。
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為了使通道成為非阻塞的，我們?cè)谕ǖ郎险{(diào)用
configureBlockingMethod(false) ，如下所示：
channel.configureBlockingMethod(false);
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在阻塞模式中，線程將在讀或?qū)憰r(shí)阻塞，一直到讀或?qū)懖僮鲝氐淄瓿伞Ｈ绻谧x的時(shí)候，數(shù)據(jù)尚未完全到達(dá)套接字，則線程將在讀操作上阻塞，一直到數(shù)據(jù)可用。
在非阻塞模式中，線程將讀取已經(jīng)可用的數(shù)據(jù)（不論多少），然后返回執(zhí)行其它任務(wù)。如果將真（true）傳遞給
configureBlockingMethod() ，則通道的行為將與在
Socket 上進(jìn)行阻塞讀或?qū)憰r(shí)的行為完全相同。唯一的主要差別，如上所述，是這些阻塞讀和寫可以被其它線程中斷。
單靠
Channel 創(chuàng)建非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)是不夠的。要實(shí)現(xiàn)非阻塞 I/O，
Channel 類必須與
Selector 類配合進(jìn)行工作。
選擇器做什么
在反應(yīng)器模式情形中，
Selector 類充當(dāng)
Reactor 角色。
Selector 對(duì)多個(gè)
SelectableChannels 的事件進(jìn)行多路復(fù)用。每個(gè)
Channel 向
Selector 注冊(cè)事件。當(dāng)事件從客戶機(jī)處到來(lái)時(shí)，
Selector 將它們多路分用并將這些事件分派到相應(yīng)的
Channel 。
創(chuàng)建
Selector 最簡(jiǎn)單的辦法是使用
open() 方法，如下所示：
Selector selector = Selector.open();
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通道遇上選擇器
每個(gè)要為客戶機(jī)請(qǐng)求提供服務(wù)的
Channel 都必須首先創(chuàng)建一個(gè)連接。下面的代碼創(chuàng)建稱為
Server 的
ServerSocketChannel 并將它綁定到本地端口：
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
InetAddress ia = InetAddress.getLocalHost();
InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(ia, port );
serverChannel.socket().bind(isa);
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每個(gè)要為客戶機(jī)請(qǐng)求提供服務(wù)的
Channel 都必須接著將自己向
Selector 注冊(cè)。
Channel 應(yīng)根據(jù)它將處理的事件進(jìn)行注冊(cè)。例如，接受傳入連接的
Channel 應(yīng)這樣注冊(cè)，如下：
SelectionKey acceptKey =
channel.register( selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
|
Channel 向
Selector 的注冊(cè)用
SelectionKey 對(duì)象表示。滿足以下三個(gè)條件之一，
Key 就失效：
-
Channel 被關(guān)閉。
-
Selector 被關(guān)閉。
- 通過(guò)調(diào)用
Key 的
cancel() 方法將
Key 本身取消。
Selector 在
select() 調(diào)用時(shí)阻塞。接著，它開始等待，直到建立了一個(gè)新的連接，或者另一個(gè)線程將它喚醒，或者另一個(gè)線程將原來(lái)的阻塞線程中斷。
注冊(cè)服務(wù)器
Server 是那個(gè)將自己向
Selector 注冊(cè)以接受所有傳入連接的
ServerSocketChannel ，如下所示：
SelectionKey acceptKey = serverChannel.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (acceptKey.selector().select() > 0 ){
......
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Server 被注冊(cè)后，我們根據(jù)每個(gè)關(guān)鍵字（key）的類型以迭代方式對(duì)一組關(guān)鍵字進(jìn)行處理。一個(gè)關(guān)鍵字被處理完成后，就都被從就緒關(guān)鍵字（ready keys）列表中除去，如下所示：
Set readyKeys = sel.selectedKeys();
Iterator it = readyKeys.iterator();
while (it.hasNext())
{
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
it.remove();
....
....
....
}
|
如果關(guān)鍵字是可接受（acceptable）的，則接受連接，注冊(cè)通道，以接受更多的事件（例如：讀或?qū)懖僮鳎?如果關(guān)鍵字是可讀的（readable）或可寫的（writable），則服務(wù)器會(huì)指示它已經(jīng)就緒于讀寫本端數(shù)據(jù)：
SocketChannel socket;
if (key.isAcceptable()) {
System.out.println("Acceptable Key");
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
socket = (SocketChannel) ssc.accept();
socket.configureBlocking(false);
SelectionKey another =
socket.register(sel,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);
}
if (key.isReadable()) {
System.out.println("Readable Key");
String ret = readMessage(key);
if (ret.length() > 0) {
writeMessage(socket,ret);
}
}
if (key.isWritable()) {
System.out.println("Writable Key");
String ret = readMessage(key);
socket = (SocketChannel)key.channel();
if (result.length() > 0 ) {
writeMessage(socket,ret);
}
}
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唵嘛呢叭咪吽 — 非阻塞服務(wù)器套接字快顯靈！
對(duì) JDK 1.4 中的非阻塞 I/O 的介紹的最后一部分留給您：運(yùn)行這個(gè)示例。
在這個(gè)簡(jiǎn)單的非阻塞服務(wù)器-套接字示例中，服務(wù)器讀取發(fā)送自客戶機(jī)的文件名，顯示該文件的內(nèi)容，然后將內(nèi)容寫回到客戶機(jī)。
這里是您運(yùn)行這個(gè)示例需要做的事情：
- 安裝 JDK 1.4（請(qǐng)參閱
參考資料）。
- 將兩個(gè)
源代碼文件復(fù)制到您的目錄。
- 編譯和運(yùn)行服務(wù)器，
java NonBlockingServer 。
- 編譯和運(yùn)行客戶機(jī)，
java Client 。
- 輸入類文件所在目錄的一個(gè)文本文件或 java 文件的名稱。
- 服務(wù)器將讀取該文件并將其內(nèi)容發(fā)送到客戶機(jī)。
- 客戶機(jī)將把從服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)打印出來(lái)。（由于所用的
ByteBuffer 的限制，所以將只讀取 1024 字節(jié)。）
- 輸入 quit 或 shutdown 命令關(guān)閉客戶機(jī)。
結(jié)束語(yǔ)
Merlin 的新 I/O 包覆蓋范圍很廣。Merlin 的新的非阻塞 I/O 實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)有兩方面：線程不再在讀或?qū)憰r(shí)阻塞，以及
Selector 能夠處理多個(gè)連接，從而大幅降低了服務(wù)器應(yīng)用程序開銷。
我們已經(jīng)著重論述了新的 java.nio 包的這兩大優(yōu)點(diǎn)。我們希望，您將把在這里所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到自己的實(shí)際應(yīng)用程序開發(fā)工作中。
參考資料
作者簡(jiǎn)介
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Aruna Kalagnanam 是 IBM India Lab 電子商務(wù)集成技術(shù)方面的軟件工程師。您可以通過(guò)
kaaruna@in.ibm.com與 Aruna 聯(lián)系。
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Balu G 是 IBM India Lab 電子商務(wù)集成技術(shù)方面的軟件工程師?？梢酝ㄟ^(guò)
gbalu@in.ibm.com與 Balu 聯(lián)系。
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