閱讀一個分布式框架必備的NIO知識有哪些

這篇文章主要介紹“閱讀一個分布式框架必備的NIO知識有哪些”，在日常操作中，相信很多人在閱讀一個分布式框架必備的NIO知識有哪些問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”閱讀一個分布式框架必備的NIO知識有哪些”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

 一、開篇

閱讀一個分布式開源項目的時候，最重要的就是了解這個項目的通信框架。

因為一個分布式的開源框架，通常是集群部署的，不同的節(jié)點和節(jié)點之間需要相互通信來完成復(fù)雜的功能，而閱讀到這些源碼的時候，如果不了解它通信機(jī)制的話，就會迷失在代碼里，像走進(jìn)了一片原始森林。

比如 HDFS ，使用的通信框架是自己封裝的 Hadoop Rpc;Spark 底層通信就是用的 Netty;而最近閱讀的 Kafka  源碼，底層使用的是原生的 Java NIO。

所以本次，我們來聊一聊 Java NIO 的那些主要的知識點。

二、多圖弄懂 NIO 三大核心概念

談到 NIO，就會有三個核心的概念：通道、緩沖、選擇器。

直接開門見山，或許聽起來會有點迷茫，我們需要從頭開始說。

1、通道

以前在并發(fā)要求不是很高的情況下，是 CPU 來全權(quán)處理輸入輸出的(中斷)，如下圖：

用戶程序向服務(wù)端發(fā)起讀寫請求，cpu 直接處理這些請求。這樣有一個弊端，當(dāng) IO 請求非常多的時候，會大量占用  CPU，使得整個系統(tǒng)的處理能力會下降。

隨著計算機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的方式，使用 DMA 來全權(quán)處理 IO 請求，如下圖：

DMA 是 Direct Memory Access，直接內(nèi)存訪問控制。

為什么要增加這個設(shè)備呢?是因為 CPU  中斷方式不能滿足數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，因為在中斷方式下，每次中斷需要保存斷點和現(xiàn)場，中斷返回時，要恢復(fù)斷點和現(xiàn)場。

所有這些原因，使得中斷方式難以滿足高速外設(shè)對傳輸速度的要求。

所以，就有了 DMA 這樣的設(shè)備，在 DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng) I/O 設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，通過 DMA 控制器向 CPU 提出 DMA  傳送請求，CPU 響應(yīng)之后將讓出系統(tǒng)總線，由 DMA 控制器接管總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而此時 CPU 除了做一些初始化操作之外，可以去做自己的事情。

但是有了 DMA，仍然滿足不了業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需要，因為當(dāng) I/O 請求過多時，會出現(xiàn)總線沖突的問題。

所以后面就出現(xiàn)了通道(Channel)，它和 DMA 不同的地方是，通道有自己的指令系統(tǒng)和程序，是一個協(xié)處理器;而 DMA  只能實現(xiàn)固定的數(shù)據(jù)傳送控制。

而 Java NIO 中的 Channel ，就是對上圖中通道的實現(xiàn)。

2、緩沖

理解了通道的概念，緩沖區(qū)也很好理解了。

通道表示打開到 I/O 設(shè)備的(例如：文件、套接字)的連接，但是通道本身并不存儲數(shù)據(jù)。真正作為數(shù)據(jù)傳輸載體的是緩沖區(qū)。

當(dāng)應(yīng)用程序要寫數(shù)據(jù)時，需要先把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)里，然后由通道負(fù)責(zé)把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地(文件、磁盤、網(wǎng)絡(luò))，然后再從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)取出來。

若需要使用 NIO 系統(tǒng)，需要獲取用于連接 I/O 設(shè)備的通道以及用于容納數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，然后操作緩沖區(qū)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3、選擇器

選擇器也叫做多路復(fù)用器，是一種非阻塞式的 I/O 。既然談到了非阻塞式，必然要先談?wù)勛枞?。阻塞式如下圖所示：

客戶端向服務(wù)端發(fā)出一個讀寫請求時，服務(wù)端的線程會一直看內(nèi)核地址空間是否有數(shù)據(jù)了。

客戶端沒有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時，服務(wù)端的線程會一直等待，在此期間是什么事情都做不了的。

直到客戶端有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，會把數(shù)據(jù)從內(nèi)核地址空間拷貝到用戶地址空間，然后才讀取到了數(shù)據(jù)的。

這就導(dǎo)致如果有大量的請求過來，后面的請求要等待前面的請求執(zhí)行完畢，會造成大量的排隊，無法充分利用 cpu 資源，性能就會急劇下降。

再看看選擇器是如何工作的。

現(xiàn)在客戶端服務(wù)端之間通信是用通道+緩沖區(qū)的，那么所有的通道都會注冊到選擇器上來。選擇器會監(jiān)控這些通道的 I/O 狀態(tài)，比如連接、讀、寫的情況。

當(dāng)某一個通道上的某個事件完全就緒時，選擇器才會把這個任務(wù)分配到服務(wù)端的一個或者多個線程上。

當(dāng)客戶端沒有事件準(zhǔn)備好時，服務(wù)端的線程是不會阻塞的，它可以做自己的事情，直到客戶端事件就緒，才會去處理。

這種非阻塞式相比較阻塞式，可以進(jìn)一步的利用 cpu 資源。

三、理解了概念，再來學(xué) API

1、緩沖區(qū)的 API

要徹底理解緩沖區(qū)，必須知道緩沖區(qū)的四個屬性，mark，position，limit，capacity，只需要跑一遍代碼就知道了。

(1)分配一定大小的緩沖區(qū)

//1.分配一個指定大小的緩沖區(qū) ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); System.out.println("---------alocate"); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

運行結(jié)果：

---------alocate----------- position:0 limit:10 capacity:10

這里我們分配了 10 個字節(jié)的緩沖區(qū)，也就是在 ByteBuffer 的 final byte[] hb; 屬性上開辟了 10 個字節(jié)的空間。

所以容量 capacity 為 10 ， limit 可讀寫數(shù)據(jù)的最大位置 也是 10 ，position 為可以操作數(shù)據(jù)的位置為 0 。

(2)往緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)

// 2.寫入數(shù)據(jù)到緩沖區(qū) String str = "abcde"; System.out.println("------------put------------"); buffer.put(str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

運行結(jié)果：

------------put------------ position:5 limit:10 capacity:10

這里我們往緩沖區(qū)寫了 5 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么 capacity 和 limit 都還是10，但是 position 為 5 了，因為前面已經(jīng)寫入了 5  個了

(3)切換成讀數(shù)據(jù)的模式

// 3.切換成讀數(shù)據(jù)的模式 buffer.flip(); System.out.println("------------flip------------"); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

那我們現(xiàn)在想從緩沖區(qū)讀取一些數(shù)據(jù)出來，就需要切換成 flip 模式，flip 會改變一些屬性的值

運行結(jié)果：

------------flip------------ position:0 limit:5 capacity:10

flip 會改變 position 的值為 0 ，并且 limit 為5，表示我要從頭開始讀，并且只能讀到 5 的位置

(4)讀取一些數(shù)據(jù)

// 4. 讀取數(shù)據(jù) System.out.println("------------get------------"); byte[] dest = new byte[buffer.limit()]; buffer.get(dest); System.out.println(new String(dest,0,dest.length)); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

運行結(jié)果：

------------get------------ abcde position:5 limit:5 capacity:10

讀取了數(shù)據(jù)之后，position 就變成 5 了，表示我已經(jīng)讀取到 5 了。

(5)重復(fù)讀

//5.rewind() buffer.rewind(); System.out.println("------------rewind------------"); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

運行結(jié)果：

------------rewind------------ position:0 limit:5 capacity:10

rewind 表示重復(fù)讀取 buffer 里面的數(shù)據(jù)

(6)清除數(shù)據(jù)

//6.clear() buffer.clear(); System.out.println("------------clear------------"); System.out.println("position:" + buffer.position()); System.out.println("limit:" + buffer.limit()); System.out.println("capacity:" + buffer.capacity());

運行結(jié)果：

------------clear------------ position:0 limit:10 capacity:10

clear() 之后，position 回到了 0 ，limit 回到了 10，又可以重頭開始寫數(shù)據(jù)了，能寫 10 個字節(jié)。

但是要注意的是，緩沖里面的數(shù)據(jù)并沒有清空掉，數(shù)據(jù)還在里面，處于被“遺忘”狀態(tài)。這幾個指針回到了最初的狀態(tài)。

(7)標(biāo)記

這是第四個屬性：mark。

mark 可以記錄 position 的位置。可以通過 reset() 方法回到 mark 的位置。

 @Test     public void test2() {         // 分配 10 個字節(jié)         String str = "abcde";         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);         buffer.put(str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));          // 切換到讀模式，讀取 2 個字節(jié)         buffer.flip();         byte[] dest = new byte[buffer.limit()];         buffer.get(dest, 0, 2);         System.out.println(new String(dest, 0, 2));         System.out.println(buffer.position());          // mark 一下記錄當(dāng)前位置         buffer.mark();          // 又讀取兩個字節(jié)         buffer.get(dest, 2, 2);         System.out.println(new String(dest, 2, 2));         System.out.println(buffer.position());          // reset，回到 mark 的位置         buffer.reset();         System.out.println(buffer.position());     }  執(zhí)行結(jié)果：  ```tex ab 2 cd 4 2

2、使用通道、緩沖區(qū)、選擇器完成一個網(wǎng)絡(luò)程序

(1)服務(wù)端

@Test  public void testServer() throws IOException {      ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();      serverSocketChannel.configureBlocking(false);       serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8989));       Selector selector = Selector.open();      serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);       while (selector.select() > 0) {          Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();          while (iterator.hasNext()) {              SelectionKey key = iterator.next();              if (key.isAcceptable()) {                  SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();                  socketChannel.configureBlocking(false);                  socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);              } else if (key.isReadable()) {                  SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();                  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);                  int len = 0;                  while ((len = channel.read(byteBuffer)) > 0) {                      byteBuffer.flip();                      System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len));                      byteBuffer.clear();                  }              }          }           iterator.remove();      }  }

1、首先使用 ServerSocketChannel.open()，打開一個通道，設(shè)置成非阻塞模式;

2、綁定到 8989 端口上;

3、把通道注冊到選擇器上;

4、while 循環(huán)，選擇器上是否有事件，如果事件是客戶端的連接事件，則打開一個  SocketChannel，注冊成非阻塞模式，并且往選擇器上注冊一個讀數(shù)據(jù)的事件;

5、當(dāng)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)過來的時候，就可以打開一個通道，讀取緩沖區(qū)上的數(shù)據(jù);

6、并且此時，服務(wù)端是可以同時接受多個客戶端的請求的。

(2)客戶端

@Test  public void testClient() throws IOException {      SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));      socketChannel.configureBlocking(false);       ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);      byteBuffer.put(new Date().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));      byteBuffer.flip();      socketChannel.write(byteBuffer);      byteBuffer.clear();       socketChannel.close();   }

1、客戶端打開一個 SocketChannel，配置成非阻塞模式;

2、使用 ByteBuffer 發(fā)送數(shù)據(jù)(注意發(fā)送之前，要 flip);

3、關(guān)閉通道。

到此，關(guān)于“閱讀一個分布式框架必備的NIO知識有哪些”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>