庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 06 _ 连网和异步 I/O

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庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 01

庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 02 _ 缓冲区的细节实现

庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 03 _ 缓冲区分配、包装和分片

庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 04 _ 分散和聚集

庖丁解牛：NIO核心概念与机制详解 05 _ 文件锁定

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概述

在 Java NIO 中，连网操作与其他操作一样，依赖于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）。通道是用于读取和写入数据的途径，而缓冲区则用于暂存数据。

与传统的同步 I/O 不同，Java NIO 中的通道操作是非阻塞的，这意味着在发起 IO 请求后，进程可以继续执行其他任务，而不需要等待 IO 操作完成。当 IO 操作完成后，进程会收到通知，此时再进行相应的处理。

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异步 I/O

异步 I/O 是一种 没有阻塞地 读写数据的方法。通常，在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样， write() 调用将会阻塞直至数据能够写入。

另一方面，异步 I/O 调用不会阻塞。相反，你将注册对特定 I/O 事件的兴趣 ― 可读的数据的到达、新的套接字连接，等等，而在发生这样的事件时，系统将会告诉你。

异步 I/O 的一个优势在于，它允许你同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，你可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

来看个Demo

这个程序就像传统的 echo server，它接受网络连接并向它们回响它们可能发送的数据。不过它有一个附加的特性，就是它能同时监听多个端口，并处理来自所有这些端口的连接。并且它只在单个线程中完成所有这些工作。

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.util.*;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class MultiPortEcho {
    private int ports[];
    private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {
        this.ports = ports;

        go();
    }

    private void go() throws IOException {
        // Create a new selector
        Selector selector = Selector.open();

        // Open a listener on each port, and register each one
        // with the selector
        for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            ssc.configureBlocking(false);
            ServerSocket ss = ssc.socket();
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
            ss.bind(address);

            SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
        }

        while (true) {
            int num = selector.select();

            Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator it = selectedKeys.iterator();

            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();

                if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
                        == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
                    // Accept the new connection
                    ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);

                    // Add the new connection to the selector
                    SelectionKey newKey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    it.remove();

                    System.out.println("Got connection from " + sc);
                } else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
                        == SelectionKey.OP_READ) {
                    // Read the data
                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();

                    // Echo data
                    int bytesEchoed = 0;
                    while (true) {
                        echoBuffer.clear();

                        int r = sc.read(echoBuffer);

                        if (r <= 0) {
                            break;
                        }

                        echoBuffer.flip();

                        sc.write(echoBuffer);
                        bytesEchoed += r;
                    }

                    System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);

                    it.remove();
                }

            }

//System.out.println( "going to clear" );
//      selectedKeys.clear();
//System.out.println( "cleared" );
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        if (args.length <= 0) {
            System.err.println("Usage: java MultiPortEcho port [port port ...]");
            System.exit(1);
        }

        int ports[] = new int[args.length];

        for (int i = 0; i < args.length; ++i) {
            ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);
        }

        new MultiPortEcho(ports);
    }
}

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Selectors

我们来基于 MultiPortEcho 的源代码中的 go() 方法的实现，因此应该看一下源代码，以便对所发生的事情有个更全面的了解。

异步 I/O 中的核心对象名为 Selector。Selector 就是你注册对各种 I/O 事件的兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉你所发生的事件。

所以，我们需要做的第一件事就是创建一个 Selector

// Create a new selector
Selector selector = Selector.open();

然后，我们将对不同的通道对象调用 register() 方法，以便注册我们对这些对象中发生的 I/O 事件的兴趣。register() 的第一个参数总是这个 Selector。

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打开一个 ServerSocketChannel

为了接收连接，我们需要一个 ServerSocketChannel。事实上，我们要监听的每一个端口都需要有一个 ServerSocketChannel 。

对于每一个端口，我们打开一个 ServerSocketChannel，如下所示：

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking( false );
  
ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[ii] );
ss.bind( address );

第一行创建一个新的 ServerSocketChannel ，最后三行将它绑定到给定的端口。
第二行将 ServerSocketChannel 设置为 非阻塞的 。我们必须对每一个要使用的套接字通道调用这个方法，否则异步 I/O 就不能工作。

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选择键

下一步是将新打开的 ServerSocketChannels 注册到 Selector上。为此我们使用 ServerSocketChannel.register() 方法，如下所示：

SelectionKey key = ssc.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );

register() 的第一个参数总是这个 Selector。
第二个参数是 OP_ACCEPT，这里它指定我们想要监听 accept 事件，也就是在新的连接建立时所发生的事件。这是适用于 ServerSocketChannel 的唯一事件类型。

请注意对 register() 的调用的返回值。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知你某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。

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内部循环

现在已经注册了我们对一些 I/O 事件的兴趣，下面将进入主循环。使用 Selectors 的几乎每个程序都像下面这样使用内部循环：

int num = selector.select();
  
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();
  
while (it.hasNext()) {
     SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
     // ... deal with I/O event ...
}

首先，我们调用 Selector 的 select() 方法。这个方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时， select() 方法将返回所发生的事件的数量。

接下来，我们调用 Selector 的 selectedKeys() 方法，它返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个 集合 。

我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件。对于每一个 SelectionKey，你必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。

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监听新连接

程序执行到这里，我们仅注册了 ServerSocketChannel，并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点，我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法，并检查发生了什么类型的事件：

if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
     == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
  
     // Accept the new connection
     // ...
}

可以肯定地说， readOps() 方法告诉我们该事件是新的连接。

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接受新的连接

因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待，所以可以安全地接受它；也就是说，不用担心 accept() 操作会阻塞：

ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();

下一步是将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的。而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据，所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上，如下所示：

sc.configureBlocking( false );
SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );

注意我们使用 register() 的 OP_READ 参数，将 SocketChannel 注册用于 读取 而不是 接受 新连接。

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删除处理过的 SelectionKey

在处理 SelectionKey 之后，我们几乎可以返回主循环了。但是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。我们调用迭代器的 remove() 方法来删除处理过的 SelectionKey：

it.remove();

现在我们可以返回主循环并接受从一个套接字中传入的数据(或者一个传入的 I/O 事件)了。

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传入的 I/O

当来自一个套接字的数据到达时，它会触发一个 I/O 事件。这会导致在主循环中调用 Selector.select()，并返回一个或者多个 I/O 事件。这一次， SelectionKey 将被标记为 OP_READ 事件，如下所示：

} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
     == SelectionKey.OP_READ) {
     // Read the data
     SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
     // ...
}

与以前一样，我们取得发生 I/O 事件的通道并处理它。在本例中，由于这是一个 echo server，我们只希望从套接字中读取数据并马上将它发送回去。

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回到主循环

每次返回主循环，我们都要调用 select 的 Selector()方法，并取得一组 SelectionKey。每个键代表一个 I/O 事件。我们处理事件，从选定的键集中删除 SelectionKey，然后返回主循环的顶部。

这个程序有点过于简单，因为它的目的只是展示异步 I/O 所涉及的技术。在现实的应用程序中，我们需要通过将通道从 Selector 中删除来处理关闭的通道。而且我们可能要使用多个线程。这个程序可以仅使用一个线程，因为它只是一个演示，但是在现实场景中，创建一个线程池来负责 I/O 事件处理中的耗时部分会更有意义。