NIO高性能技术在Java网络通信中的应用研究

张健立（集宁师范学院　计算机系，内蒙古　乌兰察布　012000）



NIO高性能技术在Java网络通信中的应用研究

张健立
（集宁师范学院计算机系，内蒙古乌兰察布012000）

摘要：Java平台提供了比较丰富的标准类I/O库来满足一般应用场景下的通信需求，但对于大量的并发通信请求，就必须使用一定的技术手段来解决系统面临的通信瓶颈。到了JDK 1.4中Java提供了新的I/O（NIO）类库，到了Java7中NIO的补充类库越发强大，很多原来需要开发人员编写的功能，在现在的类库中都有了实现。

关键词：NIO；通道；阻塞；异步通讯

1　引言

JAVA是目前比较流行的程序开发语言，在现实中大量的网络应用也采用了Java语言来开发。程序中与I/O相关的计算所花费的时间占较大比重，这其中的主要原因是在进行I/O通信时，一般需要竞争操作系统的有限资源，或是需要等待速度较慢的外部设备完成其操作，从而使I/O相关的计算所等待的时间较长。为了优化系统性能，提升I/O相关操作的性能对应用程序的整体运行性能有比较大的帮助。Java平台提供了比较丰富的标准类I/O库来满足一般应用场景下的通信需求，但对于大量的并发通信请求，就必须使用一定的技术手段来解决系统面临的通信瓶颈。到了JDK 1.4中Java提供了新的I/O（NIO）类库，到了Java7中NIO的补充类库越发强大，很多原来需要开发人员编写的功能，在现在的类库中都有了实现。

2　阻塞式通讯方式

如果要实现一个网络客户端程序，需要创建一个java.net.Socket类的对象，再连接到远程服务器。服务器端需要创建一个java.net. ServerSocket类的对象并使用其accept方法在指定端口进行监听，调用accept时会处于阻塞状态，等待客户端程序的连接请求。这给网络编程带来了一个很大的问题，我们假设对上述的服务器/客户机模型，提出更高的要求，即让服务器同时为多个客户机提供一问一答的服务，就需要在服务器端使用多线程。多线程的目的是让每个连接都拥有独立的线程，主线程持续等待客户端的连接请求，如果有连接，则创建新线程，并在新线程中提供为前例同样的问答服务，这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。但是这种连接方式要求有一个客户请求，服务器就要为之开启一个线程，因为每创建一个线程都要消耗系统资源，显然服务器的负载压力比较大。

3　非阻塞式通讯方式

如果程序对网络操作的并发性和吞吐量的要求比较高，那么阻塞式的套接字通道就不能比较简单地满足程序的要求，这时比较好的办法是通过非阻塞式的套接字通道实现多路复用或使用NIO.2中的异步套接字通道。

多路复用的思想是，通过一个专门的选择器（selector）来同时对多个套接字通道进行监听。当其中的某些套接字通道上有它感兴趣的事件发生时，这些通道会变为可用的状态，可以在选择器的选择操作中被选中，选择器通过一次选中操作可以获取这些被选中的通道列表，然后根据发生的事件类型分别进行处理。

多路复用的实现方式的核心是选择器，即java.nio.channels.Selector类的对象，非阻塞式的套接字通道可以通过register方法注册到某个Selector类的对象上，以声明由该Selector类的对象来管理当前这个套接字通道。在进行注册时，需要提供一个套接字通道感兴趣的事件列表，这些事件包括连接完成、接收到新连接请求、有数据可读和可以写入数据等。这些事件定义在java.nio.channels.SelectionKey类中，在完成注册之后，可以调用Selector类对象的select方法来进行选择。这里需要注意的地方是一个套接字通道只有在通过confgureBlocking方法设置为非阻塞模式之后，才能被注册到选择器上。

4　异步NIO通道通讯方式

在Java7中NIO.2引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。对于文件通道来说，一般的操作如读和写，都是同步进行的，调用者会处于阻塞状态，以等待相应操作的完成。而对于异步套接字通道来说，阻塞式套接字通道的使用方式与文件通道相同，而非阻塞式套接字通道的使用方式则依靠选择器来完成。异步通道一般提供两种使用方式：一种是通过Java同步工具包中的java.util.concurrent. Future类的对象来表示异步操作的结果；另外一种是在执行操作时传入一个java.nio.channels.CompletionHandler接口的实现对象作为操作完成时的回调方法。这两种使用方式的区别只在于调用者通过何种方式来使用异步操作的结果。在使用Future类的对象时，要求调用者在合适的时机显式的通过Future类的对象的get方法来得到实际的操作结果；而在使用CompletionHandler接口时，实际调用的结果作为回调方法的参数来给出。

5　小结

I/O操作一直是程序开发中的重要组成部分，高效的I/O操作实现也是很多程序开发人员一直所追求的目标。不同的传输实体本身的特征会使在其上进行的I/O操作有各自不同的特点，I/O操作也需要根据这些实体的特征来做出相应的调整。如果程序是基于Java7创建的，从通道开始入手是一个很不错的选择，但是对于流的操作则尽量少使用通道。

参考文献：

［1］蔡天鸣，王若愚.Java SE7平台下的NIO.2探析［J］.软件导刊，2011（08）.

［2］成富.深入理解Java7核心技术与最佳实践［J］.机械工业出版社，2012（05）.

［3］王洁.JAVA NIO在Socket通讯中的应用［J］.成都信息工程学院学报，2003（09）.

本文系项目基金阶段性课题：“基于Java NIO高性能网络应用技术的研究”：集宁师范学院科学研究项目 （项目编号：jsky2016044）

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.147