2002 年 3 月 12 日

Java 技術(shù)平臺早就應該提供非阻塞 I/O 機制了。幸運的是，Merlin（JDK 1.4）有一根幾乎在各個場合都適用的魔杖，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。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，并且用一個套接字編程示例向您展示 NIO 能做些什么。請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。

服務器在合理的時 間之內(nèi)處理大量客戶機請求的能力取決于服務器使用 I/O 流的效率。同時為成百上千個客戶機提供服務的服務器必須能夠并發(fā)地使用 I/O 服務。Java 平臺直到 JDK 1.4（也就是 Merlin）才支持非阻塞 I/O 調(diào)用。用 Java 語言寫的服務器，由于其線程與客戶機之比幾乎是一比一，因而易于受到大量線程開銷的影響，其結(jié)果是既導致了性能問題又缺乏可伸縮性。

為了解決這個問題，Java 平臺的最新發(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）是客戶機和服務器之間的一種通信方式。 選擇器（selector）與 Windows 消息循環(huán)類似，它從不同客戶機捕獲各種事件并將它們分派到相應的事件處理程序。在本文，我們將向您展示這兩個類如何協(xié)同工作，從而為 Java 平臺創(chuàng)建非阻塞 I/O 機制。

Merlin 之前的 I/O 編程

我們將從考察基礎的、Merlin 之前的服務器-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
• 從客戶機讀取請求
• 為請求提供服務

我們來考察一下以上每一個步驟，我們用代碼片段來說明。 首先，我們創(chuàng)建一個新的 ServerSocket ：

ServerSocket s = new ServerSocket();
                    

接著，我們要接受傳入調(diào)用。這里，調(diào)用 accept() 應該可以完成任務，但其中有個小陷阱您得當心：

Socket conn = s.accept( );
                    

對 accept() 的調(diào)用將一直阻塞，直到服務器套接字接受了一個請求連接的客戶機請求。一旦建立了連接，服務器就使用 LineNumberReader 讀取客戶機請求。因為 LineNumberReader 要到緩沖區(qū)滿時才成批地讀取數(shù)據(jù)，所以這個調(diào)用在讀時阻塞。 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);
                    }
                    

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 描繪了服務器的典型工作過程。黑體線表示處于阻塞的操作。

在 JDK 1.4 之前，自由地使用線程是處理阻塞問題最典型的辦法。但這個解決辦法會產(chǎn)生它自己的問題 ― 即線程開銷，線程開銷同時影響性能和可伸縮性。不過，隨著 Merlin 和 java.nio 包的到來，一切都變了。

在下面的幾個部分中，我們將考察 java.nio 的基本思想，然后把我們所學到的一些知識應用于修改前面描述的服務器-套接字示例。

反應器模式（Reactor pattern）

NIO 設計背后的基石是反應器設計模式。 分布式系統(tǒng)中的服務器應用程序必須處理多個向它們發(fā)送服務請求的客戶機。然而，在調(diào)用特定的服務之前，服務器應用程序必須將每個傳入請求多路分用并分派到 各自相應的服務提供者。反應器模式正好適用于這一功能。它允許事件驅(qū)動應用程序?qū)⒎照埱蠖嗦贩钟貌⑦M行分派，然后，這些服務請求被并發(fā)地從一個或多個客 戶機傳送到應用程序。

反應器模式的核心功能 將事件多路分用 將事件分派到各自相應的事件處理程序

反應器模式與觀察者模式（Observer pattern）在這個方面極為相似：當一個主體發(fā)生改變時，所有依屬體都得到通知。不過，觀察者模式與單個事件源關(guān)聯(lián)，而反應器模式則與多個事件源關(guān)聯(lián)。

請參閱 參考資料了解關(guān)于反應器模式的更多信息。

通道和選擇器

NIO 的非阻塞 I/O 機制是圍繞 選擇器和 通道構(gòu)建的。 Channel 類表示服務器和客戶機之間的一種通信機制。與反應器模式一致， Selector 類是 Channel 的多路復用器。 Selector 類將傳入客戶機請求多路分用并將它們分派到各自的請求處理程序。

我們將仔細考察 Channel 類和 Selector 類的各個功能，以及這兩個類如何協(xié)同工作，創(chuàng)建非阻塞 I/O 實現(xiàn)。

通道做什么

通 道表示連到一個實體（例如：硬件設備、文件、網(wǎng)絡套接字或者能執(zhí)行一個或多個不同 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，如果一個線程在某條通道的 I/O 操作上阻塞時，那么另一個線程可以將這條通道關(guān)閉。類似地，如果一個線程在某條通道的 I/O 操作上阻塞時，那么另一個線程可以中斷這個阻塞線程。

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。 這兩個接口可用來分別代替 java.net.Socket 和 java.net.ServerSocket 。盡管我們當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

為了實現(xiàn)基礎的非阻塞套接字讀和寫操作，我們要處理兩個新類。它們是來自 java.net 包的 InetSocketAddress 類，它指定連接到哪里，以及來自 java.nio.channels 包的 SocketChannel 類，它執(zhí)行實際的讀和寫操作。

這部分中的代碼片段顯示了一種經(jīng)過修改的、非阻塞的辦法來創(chuàng)建基礎的服務器-套接字程序。請注意這些代碼樣本與第一個示例中所用的代碼之間的變化，從添加兩個新類開始：

String host = ......;
                    InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(host, 80);
                    SocketChannel channel = SocketChannel.open();
                    channel.connect(socketAddress);
                    

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，它是一個包裝器，它將帶有 getter/setter 方法的固定大小的數(shù)組包裝起來，這些 getter/setter 方法使得緩沖區(qū)的內(nèi)容可以被訪問。 Buffer 類有許多子類，如下： ByteBuffer CharBuffer DoubleBuffer FloatBuffer IntBuffer LongBuffer ShortBuffer ByteBuffer 是唯一支持對其它類型進行讀寫的類，因為其它類都是特定于類型的。一旦連接上，就可以使用 ByteBuffer 對象從通道讀數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫到通道。請參閱 參考資料了解關(guān)于 ByteBuffer 的更多信息。

為了使通道成為非阻塞的，我們在通道上調(diào)用 configureBlockingMethod(false) ，如下所示：

channel.configureBlockingMethod(false);
                    

在阻塞模式中，線程將在讀或?qū)憰r阻塞，一直到讀或?qū)懖僮鲝氐淄瓿伞Ｈ绻谧x的時候，數(shù)據(jù)尚未完全到達套接字，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。如果將真（true）傳遞給 configureBlockingMethod() ，則通道的行為將與在 Socket 上進行阻塞讀或?qū)憰r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 實現(xiàn)是不夠的。要實現(xiàn)非阻塞 I/O， Channel 類必須與 Selector 類配合進行工作。

選擇器做什么

在反應器模式情形中， Selector 類充當 Reactor 角色。 Selector 對多個 SelectableChannels 的事件進行多路復用。每個 Channel 向 Selector 注冊事件。當事件從客戶機處到來時， Selector 將它們多路分用并將這些事件分派到相應的 Channel 。

創(chuàng)建 Selector 最簡單的辦法是使用 open() 方法，如下所示：

Selector selector = Selector.open();
                    

通道遇上選擇器

每個要為客戶機請求提供服務的 Channel 都必須首先創(chuàng)建一個連接。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);
                    

每個要為客戶機請求提供服務的 Channel 都必須接著將自己向 Selector 注冊。 Channel 應根據(jù)它將處理的事件進行注冊。例如，接受傳入連接的 Channel 應這樣注冊，如下：

SelectionKey acceptKey =
                    channel.register( selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
                    

Channel 向 Selector 的注冊用 SelectionKey 對象表示。滿足以下三個條件之一， Key 就失效：

• Channel 被關(guān)閉。
• Selector 被關(guān)閉。
• 通過調(diào)用 Key 的 cancel() 方法將 Key 本身取消。

Selector 在 select() 調(diào)用時阻塞。接著，它開始等待，直到建立了一個新的連接，或者另一個線程將它喚醒，或者另一個線程將原來的阻塞線程中斷。

注冊服務器

Server 是那個將自己向 Selector 注冊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 ){
                    ......
                    

Server 被注冊后，我們根據(jù)每個關(guān)鍵字（key）的類型以迭代方式對一組關(guān)鍵字進行處理。一個關(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），則服務器會指示它已經(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);
                    }
                    }
                    

唵嘛呢叭咪吽 — 非阻塞服務器套接字快顯靈！

對 JDK 1.4 中的非阻塞 I/O 的介紹的最后一部分留給您：運行這個示例。

在這個簡單的非阻塞服務器-套接字示例中，服務器讀取發(fā)送自客戶機的文件名，顯示該文件的內(nèi)容，然后將內(nèi)容寫回到客戶機。

這里是您運行這個示例需要做的事情：

1. 安裝 JDK 1.4（請參閱 參考資料）。
   
2. 將兩個 源代碼文件復制到您的目錄。
   
3. 編譯和運行服務器， java NonBlockingServer 。
   
4. 編譯和運行客戶機， java Client 。
   
5. 輸入類文件所在目錄的一個文本文件或 java 文件的名稱。
6. 服務器將讀取該文件并將其內(nèi)容發(fā)送到客戶機。
7. 客戶機將把從服務器接收到的數(shù)據(jù)打印出來。（由于所用的 ByteBuffer 的限制，所以將只讀取 1024 字節(jié)。）
   
8. 輸入 quit 或 shutdown 命令關(guān)閉客戶機。

結(jié)束語

Merlin 的新 I/O 包覆蓋范圍很廣。Merlin 的新的非阻塞 I/O 實現(xiàn)的主要優(yōu)點有兩方面：線程不再在讀或?qū)憰r阻塞，以及 Selector 能夠處理多個連接，從而大幅降低了服務器應用程序開銷。

我們已經(jīng)著重論述了新的 java.nio 包的這兩大優(yōu)點。我們希望，您將把在這里所學到的知識應用到自己的實際應用程序開發(fā)工作中。

參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點上的 英文原文.
  
  
• 請單擊本文頂部或底部的 討論參加本文的 討論論壇。
  
  
  
• 下載 源代碼運行本文的示例。
  
  
  
• 安裝 JDK 1.4。
  
  
  
• 在 NIO 主頁上了解所有新的非阻塞 I/O API。
  
  
  
• 要更多了解對 JDK 1.4 的一般介紹，請參閱 Java 2 platform, Standard Edition, v1.4 overview。
  
  
  
• 請訪問 Java Community Process，了解 java.nio 包成為 Java 平臺的一部分的過程。
  
  
  
• 要了解對 Java 平臺長期存在的線程開銷問題的深入討論方面的內(nèi)容，請參閱 Allen Holub 的 proposal for fixing the Java platform‘s threading problems，其中有一部分討論 Java I/O（ developerWorks，2000 年 10 月）。
  
  
  
• 了解關(guān)于 ByteBuffer 類的更多信息。
  
  
  
• 獲取關(guān)于 Reactor pattern的更多信息。
  
  
  
• John Zukowski 的 Magic with Merlin 專欄講述的都是 Merlin 給 Java 平臺帶來的變化。
  
  
  
• JavaWorld上的文章“ Master Merlin‘s new I/O classes”告訴您如何從非阻塞 I/O 和內(nèi)存映射緩沖區(qū)獲取最多性能。
  
  
  
• 想探索一下作為一名開發(fā)者有哪些選擇嗎？請從 developerWorks的 developer kits from IBM完整清單開始。
  
  
  
• 您可在 developerWorksJava 技術(shù)專區(qū)找到數(shù)以百計的關(guān)于 Java 編程的各個方面的文章。
  

作者簡介

		Aruna Kalagnanam 是 IBM India Lab 電子商務集成技術(shù)方面的軟件工程師。您可以通過 kaaruna@in.ibm.com與 Aruna 聯(lián)系。

		Balu G 是 IBM India Lab 電子商務集成技術(shù)方面的軟件工程師?？梢酝ㄟ^ gbalu@in.ibm.com與 Balu 聯(lián)系。