NIO 编程及代码实现

NIO 编程

    JDK 1.4中的java.nio.*包中引入新的Java I/O库，其目的是提高速度。实际上，“旧”的I/O包已经使用NIO重新实现过，即使我们不显式的使用NIO编程，也能从中受益。速度的提高在文件I/O和网络I/O中都可能会发生，但本文只讨论后者。

    2.1、简介

    NIO我们一般认为是New I/O（也是官方的叫法），因为它是相对于老的I/O类库新增的（其实在JDK 1.4中就已经被引入了，但这个名词还会继续用很久，即使它们在现在看来已经是“旧”的了，所以也提示我们在命名时，需要好好考虑），做了很大的改变。但民间跟多人称之为Non-block I/O，即非阻塞I/O，因为这样叫，更能体现它的特点。而下文中的NIO，不是指整个新的I/O库，而是非阻塞I/O。

    NIO提供了与传统BIO模型中的Socket和ServerSocket相对应的SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

    新增的着两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

    阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

    对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。

    下面会先对基础知识进行介绍。

    2.2、缓冲区 Buffer

    Buffer是一个对象，包含一些要写入或者读出的数据。

    在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

    缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。

    具体的缓存区有这些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。

    2.3、通道 Channel

    我们对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。

    底层的操作系统的通道一般都是全双工的，所以全双工的Channel比流能更好的映射底层操作系统的API。

    Channel主要分两大类：

•     SelectableChannel：用户网络读写
•     FileChannel：用于文件操作

    后面代码会涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类。

    2.4、多路复用器 Selector

    Selector是Java  NIO 编程的基础。

    Selector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上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。

    一个Selector可以同时轮询多个Channel，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048的限制。所以，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

    2.5、NIO服务端

    代码比传统的Socket编程看起来要复杂不少。

    直接贴代码吧，以注释的形式给出代码说明。

    NIO创建的Server源码：

package com.anxpp.io.calculator.nio;
public class Server {
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;
    private static ServerHandle serverHandle;
    public static void start(){
        start(DEFAULT_PORT);
    }
    public static synchronized void start(int port){
        if(serverHandle!=null)
            serverHandle.stop();
        serverHandle = new ServerHandle(port);
        new Thread(serverHandle,"Server").start();
    }
    public static void main(String[] args){
        start();
    }
}

    ServerHandle：

package com.anxpp.io.calculator.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.Iterator;
import java.util.Set;

import com.anxpp.io.utils.Calculator;
/**
 * NIO服务端
 * @author yangtao__anxpp.com
 * @version 1.0
 */
public class ServerHandle implements Runnable{
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverChannel;
    private volatile boolean started;
    /**
     * 构造方法
     * @param port 指定要监听的端口号
     */
    public ServerHandle(int port) {
        try{
            //创建选择器
            selector = Selector.open();
            //打开监听通道
            serverChannel = ServerSocketChannel.open();
            //如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
            serverChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
            //绑定端口 backlog设为1024
            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
            //监听客户端连接请求
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            //标记服务器已开启
            started = true;
            System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }
    public void stop(){
        started = false;
    }
    @Override
    public void run() {
        //循环遍历selector
        while(started){
            try{
                //无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
                selector.select(1000);
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
//              selector.select();
                Set keys = selector.selectedKeys();
                Iterator it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    }catch(Exception e){
                        if(key != null){
                            key.cancel();
                            if(key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            }catch(Throwable t){
                t.printStackTrace();
            }
        }
        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源
        if(selector != null)
            try{
                selector.close();
            }catch (Exception e) {
                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()){
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                //通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例
                //完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                //设置为非阻塞的
                sc.configureBlocking(false);
                //注册为读
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            //读消息
            if(key.isReadable()){
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                //读取请求码流，返回读取到的字节数
                int readBytes = sc.read(buffer);
                //读取到字节，对字节进行编解码
                if(readBytes>0){
                    //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
                    buffer.flip();
                    //根据缓冲区可读字节数创建字节数组
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
                    buffer.get(bytes);
                    String expression = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("服务器收到消息：" + expression);
                    //处理数据
                    String result = null;
                    try{
                        result = Calculator.cal(expression).toString();
                    }catch(Exception e){
                        result = "计算错误：" + e.getMessage();
                    }
                    //发送应答消息
                    doWrite(sc,result);
                }
                //没有读取到字节 忽略
//              else if(readBytes==0);
                //链路已经关闭，释放资源
                else if(readBytes<0){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }
            }
        }
    }
    //异步发送应答消息
    private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws IOException{
        //将消息编码为字节数组
        byte[] bytes = response.getBytes();
        //根据数组容量创建ByteBuffer
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
        //将字节数组复制到缓冲区
        writeBuffer.put(bytes);
        //flip操作
        writeBuffer.flip();
        //发送缓冲区的字节数组
        channel.write(writeBuffer);
        //****此处不含处理“写半包”的代码
    }
}

    可以看到，创建NIO服务端的主要步骤如下：

1.     打开ServerSocketChannel，监听客户端连接
2.     绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式
3.     创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程
4.     将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的Selector上，监听ACCEPT事件
5.     Selector轮询准备就绪的key
6.     Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路
7.     设置客户端链路为非阻塞模式
8.     将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息
9.     异步读取客户端消息到缓冲区
10.     对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task
11.     将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端

    因为应答消息的发送，SocketChannel也是异步非阻塞的，所以不能保证一次能吧需要发送的数据发送完，此时就会出现写半包的问题。我们需要注册写操作，不断轮询Selector将没有发送完的消息发送完毕，然后通过Buffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。

    2.6、NIO客户端

    还是直接上代码吧，过程也不需要太多解释了，跟服务端代码有点类似。

    Client：

package com.anxpp.io.calculator.nio;
public class Client {
    private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;
    private static ClientHandle clientHandle;
    public static void start(){
        start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);
    }
    public static synchronized void start(String ip,int port){
        if(clientHandle!=null)
            clientHandle.stop();
        clientHandle = new ClientHandle(ip,port);
        new Thread(clientHandle,"Server").start();
    }
    //向服务器发送消息
    public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{
        if(msg.equals("q")) return false;
        clientHandle.sendMsg(msg);
        return true;
    }
    public static void main(String[] args){
        start();
    }
}

    ClientHandle：

package com.anxpp.io.calculator.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;
/**
 * NIO客户端
 * @author yangtao__anxpp.com
 * @version 1.0
 */
public class ClientHandle implements Runnable{
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean started;

    public ClientHandle(String ip,int port) {
        this.host = ip;
        this.port = port;
        try{
            //创建选择器
            selector = Selector.open();
            //打开监听通道
            socketChannel = SocketChannel.open();
            //如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
            started = true;
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }
    public void stop(){
        started = false;
    }
    @Override
    public void run() {
        try{
            doConnect();
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        //循环遍历selector
        while(started){
            try{
                //无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
                selector.select(1000);
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
//              selector.select();
                Set keys = selector.selectedKeys();
                Iterator it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    }catch(Exception e){
                        if(key != null){
                            key.cancel();
                            if(key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源
        if(selector != null)
            try{
                selector.close();
            }catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
    }
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if(key.isValid()){
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            if(key.isConnectable()){
                if(sc.finishConnect());
                else System.exit(1);
            }
            //读消息
            if(key.isReadable()){
                //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                //读取请求码流，返回读取到的字节数
                int readBytes = sc.read(buffer);
                //读取到字节，对字节进行编解码
                if(readBytes>0){
                    //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
                    buffer.flip();
                    //根据缓冲区可读字节数创建字节数组
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
                    buffer.get(bytes);
                    String result = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("客户端收到消息：" + result);
                }
                //没有读取到字节 忽略
//              else if(readBytes==0);
                //链路已经关闭，释放资源
                else if(readBytes<0){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }
            }
        }
    }
    //异步发送消息
    private void doWrite(SocketChannel channel,String request) throws IOException{
        //将消息编码为字节数组
        byte[] bytes = request.getBytes();
        //根据数组容量创建ByteBuffer
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
        //将字节数组复制到缓冲区
        writeBuffer.put(bytes);
        //flip操作
        writeBuffer.flip();
        //发送缓冲区的字节数组
        channel.write(writeBuffer);
        //****此处不含处理“写半包”的代码
    }
    private void doConnect() throws IOException{
        if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port)));
        else socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }
    public void sendMsg(String msg) throws Exception{
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        doWrite(socketChannel, msg);
    }
}

    2.7、演示结果

    首先运行服务器，顺便也运行一个客户端：

package com.anxpp.io.calculator.nio;
import java.util.Scanner;
/**
 * 测试方法
 * @author yangtao__anxpp.com
 * @version 1.0
 */
public class Test {
    //测试主方法
    @SuppressWarnings("resource")
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //运行服务器
        Server.start();
        //避免客户端先于服务器启动前执行代码
        Thread.sleep(100);
        //运行客户端
        Client.start();
        while(Client.sendMsg(new Scanner(System.in).nextLine()));
    }
}

    我们也可以单独运行客户端，效果都是一样的。

    一次测试的结果：

1. 服务器已启动，端口号：12345
2. 1+2+3+4+5+6
3. 服务器收到消息：1+2+3+4+5+6
4. 客户端收到消息：21
5. 1*2/3-4+5*6/7-8
6. 服务器收到消息：1*2/3-4+5*6/7-8
7. 客户端收到消息：-7.0476190476190474

    运行多个客户端，都是没有问题的。