03-netty基础-NIO编程
1.NIO简称：
有人称之为New I/O,因为相对于之前的I/O是新增的。这是官方叫法。但是，更多的人喜欢称之为非阻塞I/O(Non-block I/O)。
2.与Socket类和ServerSocket类相对应，NIO提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同套接字通道实现。支持阻塞和非阻塞两种方式，阻塞模式使用简单，但是性能和可靠性都不好，非阻塞模式正好相反，开发人员可以根据需求进行开发。
3.缓冲区 Buffer概念：
NIO类库中加入了Buffer对象，在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中。在NIO类库中，所有数据都是用缓冲区处理，在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的，在写入数据时，写入到缓冲区中。缓冲区实质上是一个数组。最常用的是ByteBuffer缓冲区。
4.通道Channel概念：
Channel是一个通道，就像自来水管一样，网络数据通过Channel进行读取和写入，通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只在一个方向移动，而通道可以用于读写，或者两者同时进行。
5.多路复用器 Selector概念：
多路复用器Selector 是Java NIO 编程的基础，多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。Selector 会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector 轮询出来，然后通过SelectionKey获取就绪的Channel集合，然后进行后续的IO操作。
一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于 JDK使用了epoll() 代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048的限制。这也意味着只需要一个线程的负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端，这是个非常巨大的进步。
6.NIO创建TimeServer.java源码：
package com.pats.file.nio;
public class TimeServer {
public static void main(String[] args) {
int port = 8080;
if(args != null&& args.length > 0 ) {
port = Integer.valueOf(args[0]);
}
MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
new Thread(timeServer,"NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
}
}
MultiplexerTimeServer.java
package com.pats.file.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable{
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private volatile boolean stop;
/**
* 初始化多路复用器，绑定监听端口；
*/
public MultiplexerTimeServer(int port){
try {
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
serverSocketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("The time server is start in port : " + port);
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
public void stop() {
this.stop = true;
}
@Override
public void run() {
while(!stop){
try {
selector.select(1000);
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator iterator = selectedKeys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(iterator.hasNext()) {
key = iterator.next();
iterator.remove();
try {
handleInput(key);
} catch (Exception e) {
if(key != null) {
key.cancel();
if(key.channel() != null) {
key.channel().close();
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
//：多路复用器关闭后所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
if( selector != null) {
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
if(key.isValid()) {
//：处理新接入的请求消息
if(key.isAcceptable()) {
//accept the new connection
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
//add the new cinnection to the selector
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
if(key.isReadable()) {
//read to data
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readBytes = sc.read(readBuffer);
if(readBytes>0) {
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
readBuffer.get(bytes);
String body = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("The time server receive order : "+ body);
String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body)? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
doWrite(sc,currentTime);
}else if(readBytes < 0) {
//：对端链路关闭
key.cancel();
sc.close();
} else {
;//：读到0字节 忽略
}
}
}
}
private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException {
if(response != null && response.trim().length() > 0) {
byte[] bytes = response.getBytes();
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
writeBuffer.put(bytes);
writeBuffer.flip();
channel.write(writeBuffer);
}
}
}
由于SocketChannel 是异步非阻塞的，并不能够保证一次性将需要发送的字节数组全部发送完毕，此时会出现写半包问题。我们需要注册写操作，不断轮询Selector将没有发送完的ByteBuffer发送完毕，可以通过ByteBuffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。此处未演示如何处理写半包问题。
7. NIO创建TimeClient.java 源码：
package com.pats.file.nio;
public class TimeClient {
public static void main(String[] args) {
int port = 8080;
if(args!=null && args.length > 0) {
port = Integer.valueOf(args[0]);
}
new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port),"TimeClient-001").start();
}
}TimeClientHandle.java
package com.pats.file.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class TimeClientHandle implements Runnable{
private String host;
private int port;
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private volatile boolean stop;
public TimeClientHandle(String host, int port) {
this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
this.port = port;
try {
selector = Selector.open();
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
@Override
public void run() {
try {
doConnect();
} catch (IOException e1) {
// TODO Auto-generated catch block
e1.printStackTrace();
}
while(!stop) {
try {
selector.select(1000);
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator iterator = selectedKeys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(iterator.hasNext()) {
key = iterator.next();
iterator.remove();
try {
handleInput(key);
} catch (Exception e) {
if(key != null) {
key.cancel();
if(key.channel() != null) {
key.channel().close();
}
}
}
}
} catch (Exception e) {
System.exit(1);
}
}
//：多路复用器关闭后所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
if( selector != null) {
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
if(key.isValid()) {
//：判断是否连接成功
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
if(key.isConnectable()) {
if(sc.finishConnect()) {
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
doWrite(sc);
}else {
System.exit(1);
}
}
if(key.isReadable()) {
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readBytes = sc.read(readBuffer);
if(readBytes > 0) {
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
readBuffer.get(bytes);
String body = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("Now time is : "+ body);
this.stop = true;
}else if(readBytes < 0) {
//：对端链路关闭
key.cancel();
sc.close();
}else {
;//：读到0字节 忽略
}
}
}
}
private void doConnect() throws IOException {
//：如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
doWrite(socketChannel);
}else {
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
}
private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
writeBuffer.put(req);
writeBuffer.flip();
sc.write(writeBuffer);
if(!writeBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println("Send order 2 server succeed.");
}
}
}
8.运行代码如下：
服务端：
客户端：
9.总结：
1.NIO编码比同步阻塞BIO编码难度大很多，以上并没有考虑半包读，半包写的问题。
2.客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册 OP_CONNECT 等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
3.SocketChannel 的读写操作都是异步的，如果没有可读可写的数据它不会同步等待，直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其它的链路，不需要同步等待这个链路可用。
4.线程模型的优化，JDK的Selector 在linux操作系统上通过epoll实现，没有连接句柄数限制，只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个线程的句柄数限制，这意味着一个Selector 可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降。