基于NIO的Socket通信(使用Java NIO的综合示例讲解)
本篇文章并不是NIO和Socket的入门文章，如果你在看完后有些难度可以先学习基础知识后再进行阅读，但是本文的一些概念不论是入门还是学习已久的人都会有些许收获。（感觉基础不足的可以阅读前文两个链接来获取更多的细节）
一、NIO的简介
Java NIO（ non-blocking IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：
| IO | NIO |
|---|---|
| 面向流 | 面向缓冲区 |
| 阻塞 | 非阻塞 |
1. 面向流与面向缓冲
Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
2. 阻塞与非阻塞IO
Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。
3. 选择器（Selectors）
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
注意：
NIO的出现并不是要替代传统IO,而是在弥补传统IO的部分缺点，使用的场景不同。NIO虽然是非阻塞的，但是你在使用非阻塞write(ByteBuffer bf)时，当数据量较大时,可能会出现没有传输完整的现象，如果要保证数据传输完整,就要通过代码while(bf.hasReaming())和while(已传输len<文件size)去持续写入。这样的话会出现代码干预使其变成阻塞的了。而经过jdk不断的优化,inputSream和OutputStream几乎是传输速度最快的了,可以接近磁盘的写/读峰值（除了map内存映射），但是在有新的连接请求时却需要新的线程来控制，而线程的创建开销过于庞大，在线程间切换也有较大的消耗。总的来说，NIO适用于多条连接、多次请求，即需要多个线程多次操作，使用NIO可以减少创建线程和线程频繁切换的消耗；传统IO适用于少量用户，每次请求需要传输大量数据，但是请求次数少，使用传统IO可以提高传输的效率。（这里所说的NIO代指非阻塞IO，传统IO代表阻塞IO）
二、在阅读示例前需要注意的一些知识点
可以简单阅读，查漏补缺，如果都已理解可以直接跳至代码部分，如果有部分不懂也可以阅读示例代码后再来印证。
1. ByteBuffer
1)几个重要的属性：
-
capacity ：缓冲区的容量，ByteBuffer实际上就是Byte数组的抽象结构，容量和数组的长度一致
-
position：下一个写入/读取的索引
-
limit ：第一个不应该写入/读取的索引
-
mark： 一个标记点，在使用reset(）后，可将position重新置于mark标记处
每次
get()/get(byte[] bytes)和put(byte x)/put(byte[] bytes)都会移动position。当position==limit时继续操作会产生异常。前面这种称之为相对读/写，每次从position位置开始操作，还有一种绝对位置操作，get(int index)/put(byte x, int index),从给定的index处操作，该种操作不会影响postion。
2)几个常用易混的操作:
-
clear()
public final Buffer clear() { position = 0; limit = capacity; mark = -1; return this; } -
flip()
public final Buffer flip() { limit = position; position = 0; mark = -1; return this; } -
rewind()
public final Buffer rewind() { position = 0; mark = -1; return this; } -
reset()
public final Buffer reset() { int m = mark; if (m < 0) throw new InvalidMarkException(); position = m; return this; }5.compact() 压缩
public ByteBuffer compact() { System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining()); position(remaining()); limit(capacity()); discardMark(); return this; }
该方法将postion和limit之间的空间(未操作)复制到0~(limit-position)也就是remaining()的位置，也就是说把未使用的放到前面，通常搭配flip()使用，因为压缩后limit=capacity,position=(limit-position)，经过flip后，position变为0，limit变为(limit-position)，刚好就是未操作的空间。
3）中文乱码
- 在发送端使用ByteBuffer.warp(string.getBytes(“utf-8”));
- 在接收端使用CharSet.forName(“utf-8”).decode(bytebuffer);
本文示例因在一台机器，所以编码一致，为了突出主题，没有使用编码统一。
2. 选择器与I/O多路复用
1) Selector选择器是NIO技术中的核心组件，可以调用SelectableChannel类的public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)throws ClosedChannelException方法来向通道注册事件（也就是向通道注册感兴趣的事件），包括OP_READ、OP_WRITE、OP_CONNECT、OP_ACCEPT，分别对应读取、写入，请求连接、响应连接请求。
2）一些零散的知识点，在写代码时需要注意的
- NIo并不一定是单线程，在jdk的源码中，每注册1023个通道，selector会创建新的线程
- 每一个selector有三个键集，keys、selected keys、cancel keys。
- 每个通道对应一个SelectionKey，不管注册多少次返回的都是相同的一个键。
- 将通道注册到selector一定要配置为非阻塞,否则会发生异常。
- 注册后事件存在于keys中,经过 select() 后，系统发现有事件准备好了，该事件的key就会被选择，加入selectedKeys中，select(）返回值为已准备好的key数量，该方法为阻塞方法，只有返回值为大于0才返回（经过很长一段时间后无果也会返回），可以被wakeUp()方法唤醒。
- read、accept、connect 调用select() 后通常会阻塞，因为不是每刻都有数据写入需要读取，有连接请求、需要响应。但是write几乎是不阻塞的，所以一定要注意在注册OP_WRITE时，一般要在写完之后，注册为OP_READ()，来使下一次的select()方法阻塞，不然在轮询时会发生死循环。即使你remove()也只是从selectedKeys中删除，下一次还是会从keys中移到selectedKeys中。而keys中的元素无法直接删除（会发生异常），必须等待channel关闭或者key被cancel。
- select()方法的机制是等待通知，在系统中有操作准备好后，通知jvm，而不是循环轮询。
- select()方法执行后，再注册的事件，select()不会去关心。
- connect()方法是非阻塞的，这意味着连接可能尚未建立成功，该方法已经返回，使用时可能是未创建完成的连接。因此在使用时应当注意，可以通过添加
while (!socket.finishConnect());来保证连接创建完成。 - key在cancel后不会立即删除，而是在下一次select()方法调用时再移除。已关闭的通道的key也会在select()时移除。
- Socket通信在关闭时会给对方发送报文，会触发对方注册的OP_READ,但是在read()时却会因为已经关闭，而发生异常。 注意代码中如何判断对方已关闭。
三、示例代码
1. 客户端
public class Socket {
public static void main(String[] args) {
try {
//初始化客户端
SocketChannel socket = SocketChannel.open();
socket.configureBlocking(false);
Selector selector = Selector.open();
//注册连接事件
socket.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
//发起连接
socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
//开启控制台输入监听
new ChatThread(selector, socket).start();
Calendar ca = Calendar.getInstance();
//轮询处理
while (true) {
if (socket.isOpen()) {
//在注册的键中选择已准备就绪的事件
selector.select();
//已选择键集
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
//处理准备就绪的事件
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
//删除当前键，避免重复消费
iterator.remove();
//连接
if (key.isConnectable()) {
//在非阻塞模式下connect也是非阻塞的，所以要确保连接已经建立完成
while (!socket.finishConnect()) {
System.out.println("连接中");
}
socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
//控制台监听到有输入，注册OP_WRITE,然后将消息附在attachment中
if (key.isWritable()) {
//发送消息给服务端
socket.write((ByteBuffer) key.attachment());
/*
已处理完此次输入，但OP_WRITE只要当前通道输出方向没有被占用
就会准备就绪，select()不会阻塞（但我们需要控制台触发,在没有输入时
select()需要阻塞），因此改为监听OP_READ事件，该事件只有在socket
有输入时select()才会返回。
*/
socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("==============" + ca.getTime() + " ==============");
}
//处理输入事件
if (key.isReadable()) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 4);
int len = 0;
//捕获异常，因为在服务端关闭后会发送FIN报文，会触发read事件，但连接已关闭,此时read()会产生异常
try {
if ((len = socket.read(byteBuffer)) > 0) {
System.out.println("接收到來自服务器的消息\t");
System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len));
}
} catch (IOException e) {
System.out.println("服务器异常，请联系客服人员!正在关闭客户端.........");
key.cancel();
socket.close();
}
System.out.println("=========================================================");
}
}
} else {
break;
}
}
} catch (IOException e) {
System.out.println("客户端异常，请重启！");
}
}
}
2. 服务端
public class ServerSocket {
public static void main(String[] args) {
try {
//服务初始化
ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
//设置为非阻塞
serverSocket.configureBlocking(false);
//绑定端口
serverSocket.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
//注册OP_ACCEPT事件（即监听该事件，如果有客户端发来连接请求，则该键在select()后被选中）
Selector selector = Selector.open();
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
Calendar ca = Calendar.getInstance();
System.out.println("服务端开启了");
System.out.println("=========================================================");
//轮询服务
while (true) {
//选择准备好的事件
selector.select();
//已选择的键集
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
//处理已选择键集事件
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = it.next();
//处理掉后将键移除，避免重复消费(因为下次选择后，还在已选择键集中)
it.remove();
//处理连接请求
if (key.isAcceptable()) {
//处理请求
SocketChannel socket = serverSocket.accept();
socket.configureBlocking(false);
//注册read，监听客户端发送的消息
socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//keys为所有键，除掉serverSocket注册的键就是已连接socketChannel的数量
String message = "连接成功 你是第" + (selector.keys().size() - 1) + "个用户";
//向客户端发送消息
socket.write(ByteBuffer.wrap(message.getBytes()));
InetSocketAddress address = (InetSocketAddress) socket.getRemoteAddress();
//输出客户端地址
System.out.println(ca.getTime() + "\t" + address.getHostString() +
":" + address.getPort() + "\t");
System.out.println("客戶端已连接");
System.out.println("=========================================================");
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
InetSocketAddress address = (InetSocketAddress) socket.getRemoteAddress();
System.out.println(ca.getTime() + "\t" + address.getHostString() +
":" + address.getPort() + "\t");
ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(1024 * 4);
int len = 0;
byte[] res = new byte[1024 * 4];
//捕获异常，因为在客户端关闭后会发送FIN报文，会触发read事件，但连接已关闭,此时read()会产生异常
try {
while ((len = socket.read(bf)) != 0) {
bf.flip();
bf.get(res, 0, len);
System.out.println(new String(res, 0, len));
bf.clear();
}
System.out.println("=========================================================");
} catch (IOException e) {
//客户端关闭了
key.cancel();
socket.close();
System.out.println("客戶端已断开");
System.out.println("=========================================================");
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("服务器异常，即将关闭..........");
System.out.println("=========================================================");
}
}
}
3. 控制台监听线程
public class ChatThread extends Thread {
private Selector selector;
private SocketChannel socket;
public ChatThread(Selector selector, SocketChannel socket) {
super();
this.selector = selector;
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
//等待连接建立
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入您要发送给服务端的消息");
System.out.println("=========================================================");
while (scanner.hasNextLine()) {
String s = scanner.nextLine();
try {
//用户已输入，注册写事件，将输入的消息发送给客户端
socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, ByteBuffer.wrap(s.getBytes()));
//唤醒之前因为监听OP_READ而阻塞的select()
selector.wakeup();
} catch (ClosedChannelException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
参考书籍:
NIO与Socket编程技术指南 -高岩洪 著