이 기사는 Java NIO의 핵심 구성 요소에 대한 심층적인 이해를 제공합니다. 도움이 필요한 친구들이 참고할 수 있기를 바랍니다.
동기화, 비동기, 차단, 비차단
우선 이러한 개념은 매우 헷갈리기 쉽지만, NIO에도 관련되어 있으니 정리해 보겠습니다 [1].
동기화: API 호출이 반환되면 호출자는 작업 결과(실제로 읽거나 쓴 바이트 수)를 알 수 있습니다.
비동기식: 동기화에 비해 API 호출이 반환될 때 호출자는 작업 결과를 알 수 없으며 결과는 나중에 콜백으로 통보됩니다.
Blocking: 읽을 데이터가 없거나 모든 데이터를 쓸 수 없는 경우 현재 스레드를 일시 중지하고 대기합니다.
비 차단: 읽을 때 최대한 많은 데이터를 읽은 후 반환합니다. 쓸 때는 최대한 많은 데이터를 쓴 다음 반환합니다.
I/O 작업의 경우 Oracle 공식 웹사이트의 문서에 따르면 동기식과 비동기식의 분류 표준은 "호출자가 I/O 작업이 완료될 때까지 기다려야 하는지 여부"입니다. /O 작업 완료"는 반드시 데이터를 읽거나 모든 데이터를 써야 한다는 의미는 아니며 TCP/IP 프로토콜 간에 데이터가 전송되는 시간과 같이 실제로 I/O 작업이 수행될 때 호출자가 기다려야 하는지 여부를 나타냅니다. 스택 버퍼와 JVM 버퍼.
그래서 일반적으로 사용되는 read() 및 write() 메서드는 동기 I/O입니다. 동기 I/O는 차단 모드와 비차단 모드인 경우 데이터가 감지되지 않을 때의 두 가지 모드로 구분됩니다. 읽으려면 실제로 I/O 작업을 수행하지 않고 직접 반환합니다.
요약하자면 실제로 Java에는 동기식 차단 I/O, 동기식 비차단 I/O 및 비동기식 I/O의 세 가지 메커니즘만 있다는 것입니다. 아래에서 설명할 내용은 처음 두 가지이며 JDK 1.7은 이제 막 시작되었습니다. NIO.2라고 불리는 비동기 I/O를 도입합니다.
우리는 새로운 기술의 출현은 항상 개선과 개선을 동반한다는 것을 알고 있으며, Java NIO의 출현도 마찬가지입니다.
기존 I/O는 I/O를 차단하고 있으며, 가장 큰 문제는 시스템 리소스 낭비입니다. 예를 들어, TCP 연결의 데이터를 읽으려면 InputStream의 read() 메서드를 호출합니다. 그러면 데이터가 도착할 때까지 현재 스레드가 일시 중지됩니다. 그런 다음 데이터가 도착하는 동안 스레드가 메모리를 차지합니다. . 리소스(저장 스레드 스택)는 아무 작업도 수행하지 않습니다. 즉, 다른 연결의 데이터를 읽으려면 다른 스레드를 시작해야 합니다. 동시 연결 수가 적을 때는 문제가 되지 않을 수 있지만, 연결 수가 일정 규모에 도달하면 많은 수의 스레드에 의해 메모리 리소스가 소모됩니다. 반면에 스레드 전환은 프로그램 카운터, 레지스터 값 등 프로세서의 상태를 변경해야 하므로 많은 수의 스레드 간을 매우 자주 전환하는 것도 리소스 낭비입니다.
기술의 발전과 함께 최신 운영 체제는 이러한 리소스 낭비를 방지하기 위해 새로운 I/O 메커니즘을 제공합니다. 이를 바탕으로 Java NIO가 탄생하게 되었습니다. NIO의 대표적인 기능은 Non-Blocking I/O입니다. 그런 다음 단순히 비차단 I/O를 사용하는 것만으로는 문제를 해결할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 왜냐하면 비차단 모드에서는 데이터를 읽지 않으면 read() 메서드가 즉시 반환하기 때문입니다. 데이터가 언제 도착할지 알 수 없습니다. 계속해서 read() 메서드를 호출해야만 재시도할 수 있는데 이는 명백히 CPU 리소스 낭비입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 이 문제를 해결하기 위해 Selector 구성 요소가 탄생했습니다.
Java NIO의 모든 I/O 작업은 스트림 작업이 Stream 개체를 기반으로 하는 것처럼 Channel 개체를 기반으로 하므로 먼저 Channel이 무엇인지 이해해야 합니다. . 다음 내용은 JDK 1.8의 문서에서 가져온 것입니다.
채널은 하나 이상의 고유한 작업을 수행할 수 있는
하드웨어 장치, 파일, 네트워크 소켓 또는 프로그램 구성 요소와 같은 엔터티에 대한 열린 연결을 나타냅니다. I/O 작업(예: 읽기 또는 쓰기).
위 내용에서 볼 수 있듯이 채널은 특정 엔터티에 대한 연결을 나타냅니다. 이 엔터티는 파일, 네트워크 소켓 등이 될 수 있습니다. 즉, 채널은 프로그램이 운영 체제의 기본 I/O 서비스와 상호 작용할 수 있도록 Java NIO에서 제공하는 브리지입니다.
Channel은 매우 기본적이고 추상적인 설명입니다. 다양한 I/O 서비스와 상호 작용하고, 다양한 I/O 작업을 수행하며, 다양한 구현이 있으므로 특정 항목에는 FileChannel, SocketChannel 등이 포함됩니다.
채널은 데이터를 버퍼로 읽거나 버퍼의 데이터를 채널에 쓸 수 있다는 점에서 스트림과 유사합니다.
물론 차이점이 있는데 주로 다음 두 가지 점에 반영됩니다.
SocketChannel: TCP 프로토콜 네트워크 통신
ServerSocketChannel: TCP 연결 모니터링
NIO에서 사용되는 버퍼는 단순한 바이트 배열이 아니라 캡슐화된 Buffer 클래스를 제공하는 API입니다. 아래에 자세히 설명된 대로 데이터를 유연하게 조작할 수 있습니다.
NIO는 Java 기본 타입에 대응하여 ByteBuffer, CharBuffer, IntBuffer 등 다양한 Buffer 타입을 제공합니다. 차이점은 버퍼를 읽을 때와 쓸 때 단위 길이가 다르다는 것입니다(읽기와 쓰기는 변수 단위로 이루어집니다) 해당 유형).
Buffer에는 Buffer의 작동 메커니즘을 이해하는 데 중요한 3가지 중요한 변수가 있습니다.
capacity(총 용량)
position(포인터의 현재 위치)
제한(읽기/쓰기 경계 위치)
Buffer는 C 언어의 문자 배열과 매우 유사하게 작동합니다. 비유하자면 용량은 배열의 전체 길이이고 위치는 문자를 읽고 쓸 수 있는 첨자 변수입니다. 한계는 종결자입니다. Buffer에 있는 세 가지 변수의 초기 상황은 아래와 같습니다
Buffer를 읽고 쓰는 과정에서 위치가 뒤로 이동하게 되는데, 그 한계는 위치 이동의 경계가 됩니다. Buffer에 쓸 때는 용량의 크기로 제한을 설정하고, Buffer를 읽을 때는 데이터의 실제 끝 위치로 제한을 설정해야 한다는 것을 상상하기 어렵지 않습니다. (참고: 채널에 버퍼 데이터를 쓰는 것은 버퍼 읽기 작업이고, 채널에서 버퍼로 데이터를 읽는 것은 버퍼 쓰기 작업입니다.)
버퍼를 읽거나 쓰기 전에 버퍼 클래스에서 제공하는 몇 가지 보조 메서드를 호출할 수 있습니다. 위치 및 제한 값을 올바르게 설정하려면 주로 다음과 같은 것이 있습니다
flip(): 제한을 위치 값으로 설정한 다음 위치를 0으로 설정합니다. 버퍼를 읽기 전에 호출됩니다.
rewind(): position
을 0으로 설정하세요. 일반적으로 Buffer 데이터를 다시 읽기 전에 호출됩니다. 예를 들어 동일한 Buffer 데이터를 읽어 여러 채널에 쓸 때 사용됩니다.
clear(): 초기 상태로 돌아갑니다. 즉, 제한은 용량과 동일하고 위치는 0으로 설정됩니다. 버퍼에 다시 쓰기 전에 호출됩니다.
compact(): 읽지 않은 데이터(위치와 한계 사이의 데이터)를 버퍼의 시작 부분으로 이동하고 position
을 이 데이터 끝의 다음 위치로 설정합니다. 실제로 이러한 데이터 조각을 버퍼에 다시 쓰는 것과 같습니다.
그런 다음 FileChannel을 사용하여 텍스트 파일을 읽고 쓰는 예를 살펴보겠습니다. 이 예를 통해 채널의 읽기 및 쓰기 가능 특성과 Buffer의 기본 사용법을 확인합니다(FileChannel은 비차단으로 설정할 수 없습니다). 방법).
FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
channel.position(channel.size()); // 移动文件指针到末尾（追加写入）
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);
// 数据写入Buffer
byteBuffer.put("你好，世界！\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// Buffer -> Channel
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
channel.write(byteBuffer);
}
channel.position(0); // 移动文件指针到开头（从头读取）
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();
// 读出所有数据
byteBuffer.clear();
while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
byteBuffer.flip();
// 使用UTF-8解码器解码
charBuffer.clear();
decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);
System.out.print(charBuffer.flip().toString());
byteBuffer.compact(); // 数据可能有剩余
}
channel.close();이 예제에서는 두 개의 버퍼를 사용하는데, 그 중 byteBuffer는 채널 읽기 및 쓰기를 위한 데이터 버퍼로 사용되고 charBuffer는 디코딩된 문자를 저장하는 데 사용됩니다. Clear()와 Flip()의 사용법은 위에서 언급한 바와 같습니다. 주목해야 할 것은 마지막 Compact() 메서드입니다. charBuffer의 크기가 byteBuffer의 디코딩된 데이터를 완전히 수용할 수 있을 만큼 충분하더라도 이 Compact()는 다음과 같습니다. 필수입니다. 일반적으로 사용되는 한자의 UTF-8 인코딩은 3바이트를 차지하기 때문에 중간에 잘릴 확률이 높습니다. 아래 그림을 참조하세요.
디코더가 0xe4를 읽을 때. decode() 메서드의 세 번째 매개 변수 false의 기능은 디코더가 매핑되지 않은 바이트와 후속 데이터를 추가 데이터로 간주하도록 하는 것입니다. 따라서 decode() 메서드는 여기서 멈추면 위치는 0xe4 위치로 돌아갑니다. 결과적으로 "중간" 문자 인코딩의 첫 번째 바이트가 버퍼에 남게 되며 올바른 후속 데이터와 연결되도록 앞쪽으로 압축되어야 합니다.
BTW, 예제의 CharsetDecoder도 Java NIO의 새로운 기능이므로 NIO 작업이 버퍼 지향적이라는 점을 발견했어야 합니다(기존 I/O는 스트림 지향적임).
이제 채널과 버퍼의 기본적인 사용법을 이해했습니다. 다음으로 이야기할 것은 하나의 스레드가 여러 채널을 관리하도록 하는 중요한 구성 요소입니다.
Selector(셀렉터)는 각 채널의 상태(또는 이벤트)를 수집하는 데 사용되는 특수 구성 요소입니다. 먼저 채널을 선택기에 등록하고 관심 있는 이벤트를 설정한 다음 select() 메서드를 호출하여 이벤트가 발생할 때까지 조용히 기다릴 수 있습니다.
채널에는 모니터링할 다음 4가지 이벤트가 있습니다.
수락: 허용 가능한 연결이 있습니다.
연결: 연결이 성공했습니다.
읽기: 읽을 데이터가 있습니다
쓰기: 쓸 수 있습니다. 입력된 데이터
前文说了，如果用阻塞I/O，需要多线程（浪费内存），如果用非阻塞I/O，需要不断重试（耗费CPU）。Selector的出现解决了这尴尬的问题，非阻塞模式下，通过Selector，我们的线程只为已就绪的通道工作，不用盲目的重试了。比如，当所有通道都没有数据到达时，也就没有Read事件发生，我们的线程会在select()方法处被挂起，从而让出了CPU资源。
如下所示，创建一个Selector，并注册一个Channel。
注意：要将 Channel 注册到 Selector，首先需要将 Channel 设置为非阻塞模式，否则会抛异常。
Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
register()方法的第二个参数名叫“interest set”，也就是你所关心的事件集合。如果你关心多个事件，用一个“按位或运算符”分隔，比如
SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE复制代码
这种写法一点都不陌生，支持位运算的编程语言里都这么玩，用一个整型变量可以标识多种状态，它是怎么做到的呢，其实很简单，举个例子，首先预定义一些常量，它们的值（二进制）如下
可以发现，它们值为1的位都是错开的，因此对它们进行按位或运算之后得出的值就没有二义性，可以反推出是由哪些变量运算而来。怎么判断呢，没错，就是“按位与”运算。比如，现在有一个状态集合变量值为 0011，我们只需要判断 “0011 & OP_READ” 的值是 1 还是 0 就能确定集合是否包含 OP_READ 状态。
然后，注意 register() 方法返回了一个SelectionKey的对象，这个对象包含了本次注册的信息，我们也可以通过它修改注册信息。从下面完整的例子中可以看到，select()之后，我们也是通过获取一个 SelectionKey 的集合来获取到那些状态就绪了的通道。
概念和理论的东西阐述完了（其实写到这里，我发现没写出多少东西，好尴尬(⊙ˍ⊙)），看一个完整的例子吧。
这个例子使用Java NIO实现了一个单线程的服务端，功能很简单，监听客户端连接，当连接建立后，读取客户端的消息，并向客户端响应一条消息。
需要注意的是，我用字符 ‘0′（一个值为0的字节） 来标识消息结束。
public class NioServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 创建一个selector
Selector selector = Selector.open();
// 初始化TCP连接监听通道
ServerSocketChannel listenChannel = ServerSocketChannel.open();
listenChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
listenChannel.configureBlocking(false);
// 注册到selector（监听其ACCEPT事件）
listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 创建一个缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
while (true) {
selector.select(); //阻塞，直到有监听的事件发生
Iterator<selectionkey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
// 通过迭代器依次访问select出来的Channel事件
while (keyIter.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIter.next();
if (key.isAcceptable()) { // 有连接可以接受
SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("与【" + channel.getRemoteAddress() + "】建立了连接！");
} else if (key.isReadable()) { // 有数据可以读取
buffer.clear();
// 读取到流末尾说明TCP连接已断开，
// 因此需要关闭通道或者取消监听READ事件
// 否则会无限循环
if (((SocketChannel) key.channel()).read(buffer) == -1) {
key.channel().close();
continue;
}
// 按字节遍历数据
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
byte b = buffer.get();
if (b == 0) { // 客户端消息末尾的\0
System.out.println();
// 响应客户端
buffer.clear();
buffer.put("Hello, Client!\0".getBytes());
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
((SocketChannel) key.channel()).write(buffer);
}
} else {
System.out.print((char) b);
}
}
}
// 已经处理的事件一定要手动移除
keyIter.remove();
}
}
}
}</selectionkey>这个客户端纯粹测试用，为了看起来不那么费劲，就用传统的写法了，代码很简短。
要严谨一点测试的话，应该并发运行大量Client，统计服务端的响应时间，而且连接建立后不要立刻发送数据，这样才能发挥出服务端非阻塞I/O的优势。
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
InputStream is = socket.getInputStream();
OutputStream os = socket.getOutputStream();
// 先向服务端发送数据
os.write("Hello, Server!\0".getBytes());
// 读取服务端发来的数据
int b;
while ((b = is.read()) != 0) {
System.out.print((char) b);
}
System.out.println();
socket.close();
}
}学习了NIO之后我们都会有这样一个疑问：到底什么时候该用NIO，什么时候该用传统的I/O呢？
其实了解他们的特性后，答案还是比较明确的，NIO擅长1个线程管理多条连接，节约系统资源，但是如果每条连接要传输的数据量很大的话，因为是同步I/O，会导致整体的响应速度很慢；而传统I/O为每一条连接创建一个线程，能充分利用处理器并行处理的能力，但是如果连接数量太多，内存资源会很紧张。
总结就是：连接数多数据量小用NIO，连接数少用I/O（写起来也简单- -）。
经过NIO核心组件的学习，了解了非阻塞服务端实现的基本方法。然而，细心的你们肯定也发现了，上面那个完整的例子，实际上就隐藏了很多问题。比如，例子中只是简单的将读取到的每个字节输出，实际环境中肯定是要读取到完整的消息后才能进行下一步处理，由于NIO的非阻塞特性，一次可能只读取到消息的一部分，这已经很糟糕了，如果同一条连接会连续发来多条消息，那不仅要对消息进行拼接，还需要切割，同理，例子中给客户端响应的时候，用了个while()循环，保证数据全部write完成再做其它工作，实际应用中为了性能，肯定不会这么写。另外，为了充分利用现代处理器多核心并行处理的能力，应该用一个线程组来管理这些连接的事件。
要解决这些问题，需要一个严谨而繁琐的设计，不过幸运的是，我们有开源的框架可用，那就是优雅而强大的Netty，Netty基于Java NIO，提供异步调用接口，开发高性能服务器的一个很好的选择，之前在项目中使用过，但没有深入学习，打算下一步好好学学它，到时候再写一篇笔记。
Java NIO 디자인의 목표는 프로그래머에게 최신 운영 체제의 최신 I/O 메커니즘을 즐길 수 있는 API를 제공하는 것이므로 이 기사에 언급된 구성 요소 및 기능 외에도 다양한 적용 범위가 있습니다. Pipe, Path, Files 등과 같은 일부는 I/O 성능을 향상시키는 데 사용되는 새로운 구성 요소이고 일부는 I/O 작업을 단순화하는 도구입니다. 구체적인 사용법은 마지막에 있는 참고 자료의 링크를 참조하세요.
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