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2.2 NIO编程

网上有很多关于NIO的文章,这里不再深入分析。下面简单描述一下NIO是如何解决以上3个问题的。

2.2.1 线程资源受限

在NIO编程模型中,新来一个连接不再创建一个新线程,而是可以把这个连接直接绑定到某个固定的线程,然后这个连接所有的读写都由这个线程来负责,那么它是怎么做到的?我们用下图来对比一下IO与NIO。

如上图所示,在IO模型中,一个连接来了,会创建一个线程,对应一个while死循环,死循环的目的就是不断监测这个连接上是否有数据可以读。在大多数情况下,1万个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读,因此,很多while死循环都白白浪费掉了,因为读不出数据。

而在NIO模型中,这么多while死循环转换为一个死循环,这个死循环由一个线程控制,那么NIO又是如何做到一个线程一个while死循环就能监测1万个连接是否有数据可读的呢?

这就是NIO模型中Selector的作用,一个连接来了之后,不会创建一个while死循环去监听是否有数据可读,而是直接把这条连接注册到Selector上。然后,通过检查这个Selector,就可以批量监测出有数据可读的连接,进而读取数据。下面我们举一个生活中非常简单的例子来说明IO与NIO的区别。

在一家幼儿园里,小朋友有上厕所的需求,小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所,他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友,有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题。

1.每个小朋友都配一个老师。每个老师都隔段时间询问小朋友是否要上厕所。如果要上,就领他去厕所,100个小朋友就需要100个老师来询问,并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去,这就是IO模型,一个连接对应一个线程。

2.所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所,然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所,这就是NIO模型。所有小朋友都注册到同一个老师,对应的就是所有的连接都注册到同一个线程,然后批量轮询。

这就是NIO模型解决线程资源受限问题的方案。在实际开发过程中,我们会开多个线程,每个线程都管理着一批连接,相对于IO模型中一个线程管理一个连接,消耗的线程资源大幅减少。

2.2.2 线程切换效率低下

由于NIO模型中线程数量大大降低,因此线程切换效率也大幅度提高。

2.2.3 IO读写面向流

IO读写是面向流的,一次性只能从流中读取一字节或者多字节,并且读完之后流无法再读取,需要自己缓存数据。而NIO的读写是面向Buffer的,可以随意读取里面任何字节数据,不需要自己缓存数据,只需要移动读写指针即可。

简单讲完了JDK NIO的解决方案之后,接下来我们使用NIO方案替换掉IO方案。先来看看,如果用JDK原生的NIO来实现服务端,该怎么做。

前方高能预警:以下代码可能会让你感觉极度不适,如有不适,请跳过。

NIOServer.java

相信大部分没有接触过NIO的读者应该会直接跳过代码来到这一行:原来使用JDK原生NIO的API实现一个简单的服务端通信程序如此复杂!

我们还是先对照NIO来解释一下核心思路。

1.NIO模型中通常会有两个线程,每个线程都绑定一个轮询器Selector。在这个例子中,serverSelector负责轮询是否有新连接,clientSelector负责轮询连接是否有数据可读。

2.服务端监测到新连接之后,不再创建一个新线程,而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样就不用IO模型中的1万个while循环死等,参见(1)。

3.clientSelector被一个while死循环包裹着,如果在某一时刻有多个连接有数据可读,那么通过clientSelector.select(1)方法可以轮询出来,进而批量处理,参见(2)。

4.数据的读写面向Buffer,参见(3)。

其他细节部分,因为实在是太复杂,所以笔者不再多讲,读者也不用对代码的细节深究到底。总之,强烈不建议直接基于JDK原生NIO来进行网络开发,下面是笔者总结的原因。

1.JDK的NIO编程需要了解很多概念,编程复杂,对NIO入门非常不友好,编程模型不友好,ByteBuffer的API简直“反人类”。

2.对NIO编程来说,一个比较合适的线程模型能充分发挥它的优势,而JDK没有实现,需要自己实现,就连简单的自定义协议拆包都要自己实现。

3.JDK的NIO底层由Epoll实现,该实现饱受诟病的空轮询Bug会导致CPU占用率飙升至100%。

4.项目庞大之后,自行实现的NIO很容易出现各类Bug,维护成本较高,上面这些代码笔者都不能保证没有Bug。

正因为如此,客户端代码这里就省略了,读者可以直接使用IOClient.java与NIOServer.java通信。

JDK的NIO犹如带刺的玫瑰,虽然美好,让人向往,但是使用不当会让你抓耳挠腮,痛不欲生,正因为如此,Netty横空出世!