Java NIO模型（提供代码示例）

一、NIO特点介绍

• NIO全称 java non-blocking IO。从JDK 1.4开始，java提供了一些列改进的输入/输出（I/O）的新特性，被称为NIO，是同步非阻塞的，NIO相关类都被放在java.nio包及其子包下。
• NIO是面向缓冲区的，或者面向块编程的，数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区内前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞的高伸缩性网络
• Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有可用的数据时，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读取之前，该线程可以继续做其他事情。非阻塞就是如此，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。
• NIO三大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）
  • 在线程处理过程中，如果涉及到IO操作，那么当前的线程不会被阻塞，而是会去处理其他业务代码，然后等过段时间再来查询 IO 交互是否完成。如下图：Buffer 是一个缓冲区，用来缓存读取和写入的数据；Channel 是一个通道，负责后台对接 IO 数据；而 Selector 实现的主要功能，是主动查询哪些通道是处于就绪状态。Selector复用一个线程，来查询已就绪的通道，这样大大减少 IO 交互引起的频繁切换线程的开销.

二、NIO代码实现

2.1、客户端代码

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.Scanner;
import java.util.Set;

public class NioClient implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private volatile boolean started;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;

    public NioClient(String ip, int port) {
        this.host = ip;
        this.port = port;

        try {
            /*创建选择器的实例*/
            selector = Selector.open();
            /*创建ServerSocketChannel的实例*/
            socketChannel = SocketChannel.open();
            /*设置通道为非阻塞模式*/
            socketChannel.configureBlocking(false);

            started = true;
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @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);
                //获取当前有哪些事件可以使用
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                //转换为迭代器
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    /*我们必须首先将处理过的 SelectionKey 从选定的键集合中删除。
                    如果我们没有删除处理过的键，那么它仍然会在主集合中以一个激活
                    的键出现，这会导致我们尝试再次处理它。*/
                    it.remove();
                    try {
                        if (key.isValid()) {
                            //连接事件
                            if (key.isConnectable()) {
                                connectHandler(key);
                            }
                            //读事件
                            if (key.isReadable()) {
                                readHandler(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 connectHandler(SelectionKey key) throws IOException {
        //获得关心当前事件的channel
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        if (sc.finishConnect()) {
            socketChannel.register(selector,
                    SelectionKey.OP_READ);
        } else System.exit(1);
    }

    private void readHandler(SelectionKey key) throws IOException {
        //获得关心当前事件的channel
        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,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);
        }
        //链路已经关闭，释放资源
        else if (readBytes < 0) {
            key.cancel();
            sc.close();
        }
    }

    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
        /*关心事件和读写网络并不冲突*/
        channel.write(writeBuffer);
    }

    private void doConnect() throws IOException {
        /*非阻塞的连接*/
        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else {
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }

    //写数据对外暴露的API
    public void sendMsg(String msg) throws Exception {
        doWrite(socketChannel, msg);
    }

    public void stop() {
        started = false;
    }


    public static void main(String[] args) throws Exception {

        NioClient nioClient = new NioClient("127.0.0.1", 9998);
        new Thread(nioClient).start();
        System.out.println("请输入消息：");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            nioClient.sendMsg(scanner.next());
        }
    }
}

2.2、服务端代码

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;

public class NioServer {
    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 NioServer(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 run() {
        //循环遍历selector
        while (started) {
            try {
                //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<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    System.out.println("当前通道的事件：" + key.interestOps());
                    it.remove();
                    try {
                        if (key.isValid()) {
                            //处理新接入的请求消息
                            if (key.isAcceptable()) {
                                acceptHandle(key);
                            }
                            //读消息
                            if (key.isReadable()) {
                                readHandler(key);
                            }
                            //写消息
                            if (key.isWritable()) {
                                writHandler(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 acceptHandle(SelectionKey key) throws IOException {
        //获得关心当前事件的channel
        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();
        System.out.println("======socket channel 建立连接=======");
        //设置为非阻塞的
        sc.configureBlocking(false);
        //连接已经完成了，可以开始关心读事件了
        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    private void readHandler(SelectionKey key) throws IOException {
        System.out.println("======socket channel 数据准备完成，" +
                "可以去读==读取=======");
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
        //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,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 message = new String(bytes, "UTF-8");
            System.out.println("服务器收到消息：" + message);
            //处理数据 构建应答消息（这里只简单响应，有需要自行额外处理）
            String result = "服务器已经收到 message = " + message;
            //发送应答消息
            doWrite(sc, result);
        }
        //链路已经关闭，释放资源
        else if (readBytes < 0) {
            key.cancel();
            sc.close();
        }
    }

    private void writHandler(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        if (buffer.hasRemaining()) {
            int count = sc.write(buffer);
            System.out.println("write :" + count
                    + "byte, remaining:" + buffer.hasRemaining());
        } else {
            /*取消对写的注册*/
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }


    //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();
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ,
                writeBuffer);
    }

    public void stop() {
        started = false;
    }


    public static void main(String[] args) {
        NioServer nioServer = new NioServer(9998);
        nioServer.run();
    }
}