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Java NIO
2024-02-05
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IO

NIO 简介#

在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。也就是说，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。

为了解决这个问题，在 Java1.4 版本引入了一种新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也称为 Non-blocking IO） 。NIO 弥补了同步阻塞 I/O 的不足，它在标准 Java 代码中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的 I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了 I/O 效率和并发。

  • BIO:阻塞直到处理完成
  • NIO监听多个channel，非阻塞
  • AIO:通知回调

注意：使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO 。

NIO 核心组件#

NIO 主要包括以下三个核心组件：

  • Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
  • Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
  • Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。

三者的关系如下图所示：

20240205222443.png

Buffer（缓冲区）#

在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的， 分为字节流和字符流。

在 Java 1.4 的 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。 使用 NIO 在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。

Buffer 的子类中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。

你可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分别对应 int[]、float[]、char[] 等。

为了更清晰地认识缓冲区，我们来简单看看Buffer 类中定义的四个成员变量：

public abstract class Buffer {
    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;
}

这四个成员变量的具体含义如下：

  1. 容量（capacity）：Buffer可以存储的最大数据量，Buffer创建时设置且不可改变；
  2. 界限（limit）：Buffer 中可以读/写数据的边界。写模式下，limit 代表最多能写入的数据，一般等于 capacity（可以通过limit(int newLimit)方法设置）；读模式下，limit 等于 Buffer 中实际写入的数据大小。
  3. 位置（position）：下一个可以被读写的数据的位置（索引）。从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。
  4. 标记（mark）：Buffer允许将位置直接定位到该标记处，这是一个可选属性；

并且，上述变量满足如下的关系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。

另外，Buffer 有读模式和写模式这两种模式，分别用于从 Buffer 中读取数据或者向 Buffer 中写入数据。Buffer 被创建之后默认是写模式，调用 flip() 可以切换到读模式。如果要再次切换回写模式，可以调用 clear() 或者 compact() 方法。

20240205222458.png

20240205222503.png

Buffer 对象不能通过 new 调用构造方法创建对象 ，只能通过静态方法实例化 Buffer。

这里以 ByteBuffer为例进行介绍：

// 分配堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);

Buffer 最核心的两个方法：

  1. get : 读取缓冲区的数据
  2. put ：向缓冲区写入数据

除上述两个方法之外，其他的重要方法：

  • flip ：将缓冲区从写模式切换到读模式，它会将 limit 的值设置为当前 position 的值，将 position 的值设置为 0。
  • clear: 清空缓冲区，将缓冲区从读模式切换到写模式，并将 position 的值设置为 0，将 limit 的值设置为 capacity 的值。
  • ……

Buffer 中数据变化的过程：

import java.nio.*;


public class CharBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配一个容量为8的CharBuffer
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        System.out.println("初始状态：");
        printState(buffer);


        // 向buffer写入3个字符
        buffer.put('a').put('b').put('c');
        System.out.println("写入3个字符后的状态：");
        printState(buffer);


        // 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3
        buffer.flip();
        System.out.println("调用flip()方法后的状态：");
        printState(buffer);


        // 读取字符
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print(buffer.get());
        }


        // 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值
        buffer.clear();
        System.out.println("调用clear()方法后的状态：");
        printState(buffer);


    }


    // 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置
    private static void printState(CharBuffer buffer) {
        System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());
        System.out.print(", limit: " + buffer.limit());
        System.out.print(", position: " + buffer.position());
        System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());
        System.out.println("\\n");
    }
}

输出:

初始状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0


写入3个字符后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 3


准备读取buffer中的数据！


调用flip()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 3, position: 0


读取到的数据：abc


调用clear()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0

为了帮助理解，我绘制了一张图片展示 capacity、limit和position每一阶段的变化。

20240205222512.png

Channel（通道）#

Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。

BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。

Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

20240205222519.png

另外，因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

Channel 的子类中，最常用的是以下几种类型的通道：

  • FileChannel：文件访问通道；
  • SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通信通道；
  • DatagramChannel：UDP 通信通道；

Channel 最核心的两个方法：

  1. read ：读取数据并写入到 Buffer 中。
  2. write ：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

这里我们以 FileChannel 为例演示一下是读取文件数据的。

RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);

Selector（选择器）#

Selector（选择器） 是 NIO 中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。

当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行响应的 I/O 操作。

20240205222527.png

一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

Selector 可以监听以下四种事件类型：

  1. SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel。
  2. SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel。
  3. SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
  4. SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。

Selector是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。

一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：

  1. 所有的 SelectionKey 集合：代表了注册在该 Selector 上的 Channel，这个集合可以通过 keys() 方法返回。
  2. 被选择的 SelectionKey 集合：代表了所有可通过 select() 方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过 selectedKeys() 返回。
  3. 被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注册关系的 Channel，在下一次执行 select() 方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。

简单演示一下如何遍历被选择的 SelectionKey 集合并进行处理：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一个新连接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一个新连接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有准备好的数据，可以读取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

Selector 还提供了一系列和 select() 相关的方法：

  • int select()：监控所有注册的 Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时，该方法返回，并将对应的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
  • int select(long timeout)：可以设置超时时长的 select() 操作。
  • int selectNow()：执行一个立即返回的 select() 操作，相对于无参数的 select() 方法而言，该方法不会阻塞线程。
  • Selector wakeup()：使一个还未返回的 select() 方法立刻返回。
  • ……

使用 Selector 实现网络读写的简单示例：

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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;


public class NioSelectorExample {


  public static void main(String[] args) {
    try {
      ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
      serverSocketChannel.configureBlocking(false);
      serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));


      Selector selector = Selector.open();
      // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
      serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);


      while (true) {
        int readyChannels = selector.select();


        if (readyChannels == 0) {
          continue;
        }


        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();


        while (keyIterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = keyIterator.next();


          if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接事件
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);


            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = client.read(buffer);


            if (bytesRead > 0) {
              buffer.flip();
              System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
              // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
              client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (bytesRead < 0) {
              // 客户端断开连接
              client.close();
            }
          } else if (key.isWritable()) {
            // 处理写事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
            client.write(buffer);


            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          }


          keyIterator.remove();
        }
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听 8080 端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 “Hello, Client!”。

NIO 零拷贝#

零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ、QMQ、Netty 等顶级开源项目都用到了零拷贝。

零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。也就是说，零拷贝主主要解决操作系统在处理 I/O 操作时频繁复制数据的问题。零拷贝的常见实现技术有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy 。

下图展示了各种零拷贝技术的对比图：

CPU 拷贝DMA 拷贝系统调用上下文切换
传统方法22read+write4
mmap+write12mmap+write4
sendfile12sendfile2
sendfile + DMA gather copy02sendfile2

可以看出，无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。

Java 对零拷贝的支持：

  • MappedByteBuffer 是 NIO 基于内存映射（mmap）这种零拷⻉⽅式的提供的⼀种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的 mmap 系统调用。它可以将一个文件或者文件的一部分映射到内存中，形成一个虚拟内存文件，这样就可以直接操作内存中的数据，而不需要通过系统调用来读写文件。

  • FileChannel 的transferTo()/transferFrom()是 NIO 基于发送文件（sendfile）这种零拷贝方式的提供的一种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的 sendfile系统调用。它可以直接将文件数据从磁盘发送到网络，而不需要经过用户空间的缓冲区。

    代码示例：

    private void loadFileIntoMemory(File xmlFile) throws IOException {
      FileInputStream fis = new FileInputStream(xmlFile);
      // 创建 FileChannel 对象
      FileChannel fc = fis.getChannel();
      // FileChannel.map() 将文件映射到直接内存并返回 MappedByteBuffer 对象
      MappedByteBuffer mmb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fc.size());
      xmlFileBuffer = new byte[(int)fc.size()];
      mmb.get(xmlFileBuffer);
      fis.close();
    }

总结#

这篇文章我们主要介绍了 NIO 的核心知识点，包括 NIO 的核心组件和零拷贝。

如果我们需要使用 NIO 构建网络程序的话，不建议直接使用原生 NIO，编程复杂且功能性太弱，推荐使用一些成熟的基于 NIO 的网络编程框架比如 Netty。Netty 在 NIO 的基础上进行了一些优化和扩展比如支持多种协议、支持 SSL/TLS 等等。

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Java NIO
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作者
dreaife
发布于
2024-02-05
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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