Java I/O不迷茫,一文为你导航! (7)

调用 Selector 的静态工厂创建一个选择器,创建一个服务端的 Channel 绑定到一个 Socket 对象,并把这个通信信道注册到选择器上,把这个通信信道设置为非阻塞模式。然后就可以调用 Selector 的 selectedKeys 方法来检查已经注册在这个选择器上的所有通信信道是否有需要的事件发生,如果有某个事件发生时,将会返回所有的 SelectionKey,通过这个对象 Channel 方法就可以取得这个通信信道对象从而可以读取通信的数据,而这里读取的数据是 Buffer,这个 Buffer 是我们可以控制的缓冲器。

在上面的这段程序中,是将 Server 端的监听连接请求的事件和处理请求的事件放在一个线程中,但是在实际应用中,我们通常会把它们放在两个线程中,一个线程专门负责监听客户端的连接请求,而且是阻塞方式执行的;另外一个线程专门来处理请求,这个专门处理请求的线程才会真正采用 NIO 的方式,像 Web 服务器 Tomcat 和 Jetty 都是这个处理方式,关于 Tomcat 和 Jetty 的 NIO 处理方式可以参考文章《 Jetty 的工作原理和与 Tomcat 的比较》。

下图是描述了基于 NIO 工作方式的 Socket 请求的处理过程:

Java I/O不迷茫,一文为你导航!

上图中的 Selector 可以同时监听一组通信信道(Channel)上的 I/O 状态,前提是这个 Selector 要已经注册到这些通信信道中。选择器 Selector 可以调用 select() 方法检查已经注册的通信信道上的是否有 I/O 已经准备好,如果没有至少一个信道 I/O 状态有变化,那么 select 方法会阻塞等待或在超时时间后会返回 0。上图中如果有多个信道有数据,那么将会将这些数据分配到对应的数据 Buffer 中。所以关键的地方是有一个线程来处理所有连接的数据交互,每个连接的数据交互都不是阻塞方式,所以可以同时处理大量的连接请求。

Buffer 的工作方式

上面介绍了 Selector 将检测到有通信信道 I/O 有数据传输时,通过 selelct() 取得 SocketChannel,将数据读取或写入 Buffer 缓冲区。下面讨论一下 Buffer 如何接受和写出数据?

Buffer 可以简单的理解为一组基本数据类型的元素列表,它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态,也就是有四个索引。如下表所示:

索引 说明
capacity   缓冲区数组的总长度  
position   下一个要操作的数据元素的位置  
limit   缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置,limit<=capacity  
mark   用于记录当前 position 的前一个位置或者默认是 0  

在实际操作数据时它们有如下关系图:

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我们通过 ByteBuffer.allocate(11) 方法创建一个 11 个 byte 的数组缓冲区,初始状态如上图所示,position 的位置为 0,capacity 和 limit 默认都是数组长度。当我们写入 5 个字节时位置变化如下图所示:

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这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这 5 个字节数据发送出去了。在下一次写数据之前我们在调一下 clear() 方法。缓冲区的索引状态又回到初始位置。

这里还要说明一下 mark,当我们调用 mark() 时,它将记录当前 position 的前一个位置,当我们调用 reset 时,position 将恢复 mark 记录下来的值。

还有一点需要说明,通过 Channel 获取的 I/O 数据首先要经过操作系统的 Socket 缓冲区再将数据复制到 Buffer 中,这个的操作系统缓冲区就是底层的 TCP 协议关联的 RecvQ 或者 SendQ 队列,从操作系统缓冲区到用户缓冲区复制数据比较耗性能,Buffer 提供了另外一种直接操作操作系统缓冲区的的方式即 ByteBuffer.allocateDirector(size),这个方法返回的 byteBuffer 就是与底层存储空间关联的缓冲区,它的操作方式与 linux2.4 内核的 sendfile 操作方式类似。

Java NIO 实例

上面从 NIO 中引入了一些概念,下面我们对这些概念再来进行简单的复述和补充:

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