Java NIO에 대해 알아보자 (1/2)

NIO(New Input Output)

Java NIO는 기존 IO 패키지를 개선하기 위해 나온 패키지다.

그럼 어떤것을 개선 하였을까?

C/C++처럼 직접 메모리를 관리하고 운영체제 수준의 시스템 콜을 직접 사용 할 수 없기에 커널 버퍼에서 JVM내의 Buffer로 한번 더 데이터를 옮겨주는 과정이 생기면서 발생되는 문제점인 JVM 내부 버퍼로 복사 시 발생하는 CPU연산, GC관리, IO요청에 대한 스레드 블록이 발생하게 되는 현상때문에 효율이 좋지 못한점을 개선하기 위해 나온 패키지이다.

NIO의 핵심 용어

     1. Buffer
         커널에 관리되는 시스템메모리를 직접 사용 할 수 있는 Buffer 클래스

그래서 NIO? IO?

   InputStream input = ...;
   BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
    reader.readLine(); // 라인을 읽을때까지 블록이 됨
    ....

	ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
    int bytesRead = inChannel.read(buffer);
    /**
    *	데이터가 지정한 버퍼 크기보다 크다면
    *	버퍼의 데이터가 남아있는지 여러번 검사하는 로직이 필요
    **/
    while(!bufferfull(bytesRead))
    	bytesRead = inChannel.read(buffer);

간단한 NIO Server 코드

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
import java.util.Iterator;

public class NioServer {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private int port = 5999;

    NioServer() {}

    NioServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    private void init() throws IOException {
        selector = Selector.open();
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); // non-block
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", port));
    }

    private void accept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel sChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = sChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    private void readMsg(SelectionKey key) throws IOException {
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        StringBuffer sbuffer = new StringBuffer();
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.read(buf);
        buf.flip();

        Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
        CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
        CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buf);

        sbuffer = new StringBuffer(charBuffer.toString());
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, sbuffer);
    }

    private void sendMsg(SelectionKey key) throws IOException {
        StringBuffer sbuffer = new StringBuffer();

        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        sbuffer = (StringBuffer) key.attachment();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(sbuffer.toString().getBytes("UTF-8")));
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, sbuffer);
    }

    public void startServer() throws IOException {
        init();
        SelectionKey acceptKey  = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        /** SelectionKey.OP_ACCEPT        ServerSocketChannel의 연결 수락 작업
        *   SelectionKey.OP_CONNECT       SocketChannel의 서버 연결 작업
        *   SelectionKey.OP_READ          SocketChannel의 데이터 읽기 작업
        *   SelectionKey.OP_WRITE         SocketChannel의 데이터 쓰기 작업
         **/
        while(acceptKey.selector().select() > 0) {  
            Iterator keyIter = selector.selectedKeys().iterator();

            while(keyIter.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) keyIter.next();
                keyIter.remove();

                if(selectionKey.isAcceptable()) {
                    accept(selectionKey);
                }

                if(selectionKey.isReadable()) {
                    readMsg(selectionKey);
                }

                if(selectionKey.isWritable()) {
                    sendMsg(selectionKey);
                }
            }
        }


    }

    public static void main(String[] args) {
        NioServer nioServer = new NioServer();
        try {
            nioServer.startServer();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }}

다만 위 코드에서 문제가 발생할 것인데

그것은 selector().select() 부분에서 block을 걸고 있기때문이다.

문서를 참고해보면 Selector에서 채널을 등록할 때마다 생성되는 key와 동기화가 되고 select된 key가 작업이 완료될때까지 다른 key들은 기다리게 된다.

해당 문제를 해결하려면 selector().wakeup() 메서드를 활용해 제어 할 수 있다.

NIO2가 Java 1.7에서 등장했다.
이에 따라 비동기를 지원하는 새롭게 등장한 클래스가 있다.
다음글에서 알아보자.

ps. 참고로 NIO2는 파일 관련된 부분이 가장 크게 개선되었지만 이번엔 다루지 않겠다.

* 참고자료

• https://jeong-pro.tistory.com/145
• https://www.baeldung.com/java-nio-selector
• http://tutorials.jenkov.com/java-nio/nio-vs-io.html
• https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/nio/channels/Selector.html#selop