基于Java NIO的Socket通信

Java NIO模式的Socket通信，是一种同步非阻塞IO设计模式，它为Reactor模式实现提供了基础。

下面看看，Java实现的一个服务端和客户端通信的例子。

NIO模式的基本原理描述如下：

服务端打开一个通道（ServerSocketChannel），并向通道中注册一个选择器（Selector），这个选择器是与一些感兴趣的操作的标识（SelectionKey，即通过这个标识可以定位到具体的操作，从而进行响应的处理）相关联的，然后基于选择器（Selector）轮询通道（ServerSocketChannel）上注册的事件，并进行相应的处理。

客户端在请求与服务端通信时，也可以向服务器端一样注册（比服务端少了一个SelectionKey.OP_ACCEPT操作集合），并通过轮询来处理指定的事件，而不必阻塞。

下面的例子，主要以服务端为例，而客户端只是简单地发送请求数据和读响应数据。

服务端实现，代码如下所示：

 package org.shirdrn.java.communications.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 java.util.logging.Logger;

 /**
  * NIO服务端
  *
  * @author shirdrn
  */
 public class NioTcpServer extends Thread {

     private static final Logger log = Logger.getLogger(NioTcpServer.class.getName());
     private InetSocketAddress inetSocketAddress;
     private Handler handler = new ServerHandler();

     public NioTcpServer(String hostname, int port) {
         inetSocketAddress = new InetSocketAddress(hostname, port);
     }

     @Override
     public void run() {
         try {
             Selector selector = Selector.open(); // 打开选择器
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 打开通道
             serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞
             serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
             serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 向通道注册选择器和对应事件标识
             log.info("Server: socket server started.");
             while(true) { // 轮询
                 int nKeys = selector.select();
                 if(nKeys>0) {
                     Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                     Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
                     while(it.hasNext()) {
                         SelectionKey key = it.next();
                         if(key.isAcceptable()) {
                             log.info("Server: SelectionKey is acceptable.");
                             handler.handleAccept(key);
                         } else if(key.isReadable()) {
                             log.info("Server: SelectionKey is readable.");
                             handler.handleRead(key);
                         } else if(key.isWritable()) {
                             log.info("Server: SelectionKey is writable.");
                             handler.handleWrite(key);
                         }
                         it.remove();
                     }
                 }
             }
         } catch (IOException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }

     /**
      * 简单处理器接口
      *
      * @author shirdrn
      */
     interface Handler {
         /**
          * 处理{@link SelectionKey#OP_ACCEPT}事件
          * @param key
          * @throws IOException
          */
         void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException;
         /**
          * 处理{@link SelectionKey#OP_READ}事件
          * @param key
          * @throws IOException
          */
         void handleRead(SelectionKey key) throws IOException;
         /**
          * 处理{@link SelectionKey#OP_WRITE}事件
          * @param key
          * @throws IOException
          */
         void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException;
     }

     /**
      * 服务端事件处理实现类
      *
      * @author shirdrn
      */
     class ServerHandler implements Handler {

         @Override
         public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
             SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
             log.info("Server: accept client socket " + socketChannel);
             socketChannel.configureBlocking(false);
             socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
         }

         @Override
         public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
             ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
             SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();
             while(true) {
                 int readBytes = socketChannel.read(byteBuffer);
                 if(readBytes>0) {
                     log.info("Server: readBytes = " + readBytes);
                     log.info("Server: data = " + new String(byteBuffer.array(), 0, readBytes));
                     byteBuffer.flip();
                     socketChannel.write(byteBuffer);
                     break;
                 }
             }
             socketChannel.close();
         }

         @Override
         public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
             ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();
             byteBuffer.flip();
             SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();
             socketChannel.write(byteBuffer);
             if(byteBuffer.hasRemaining()) {
                 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
             }
             byteBuffer.compact();
         }
     }

     public static void main(String[] args) {
         NioTcpServer server = new NioTcpServer("localhost", 1000);
         server.start();
     }
 }

客户端实现，代码如下所示：

 package org.shirdrn.java.communications.nio;

 import java.io.IOException;
 import java.net.InetSocketAddress;
 import java.nio.ByteBuffer;
 import java.nio.channels.SocketChannel;
 import java.util.logging.Logger;

 /**
  * NIO客户端
  *
  * @author shirdrn
  */
 public class NioTcpClient {

     private static final Logger log = Logger.getLogger(NioTcpClient.class.getName());
     private InetSocketAddress inetSocketAddress;

     public NioTcpClient(String hostname, int port) {
         inetSocketAddress = new InetSocketAddress(hostname, port);
     }

     /**
      * 发送请求数据
      * @param requestData
      */
     public void send(String requestData) {
         try {
             SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(inetSocketAddress);
             socketChannel.configureBlocking(false);
             ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
             socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(requestData.getBytes()));
             while (true) {
                 byteBuffer.clear();
                 int readBytes = socketChannel.read(byteBuffer);
                 if (readBytes > 0) {
                     byteBuffer.flip();
                     log.info("Client: readBytes = " + readBytes);
                     log.info("Client: data = " + new String(byteBuffer.array(), 0, readBytes));
                     socketChannel.close();
                     break;
                 }
             }

         } catch (IOException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }

     public static void main(String[] args) {
         String hostname = "localhost";
         String requestData = "Actions speak louder than words!";
         int port = 1000;
         new NioTcpClient(hostname, port).send(requestData);
     }
 }

上述实现，NioTcpServer服务线程启动后，监听指定端口，等待客户端请求的到来，然后NioTcpClient客户端进程启动并发送请求数据，服务端接收到请求数据后，响应客户端（将请求的数据作为响应数据写回到客户端通道SocketChannel，并等待客户端处理）。

实际上，客户端和服务端可以采用同样轮询的非阻塞模式来实现，为简单实现在这个例子中我们把客户端角色简化了，而实际上它可能在另一个系统通信中充当服务端角色。

另外，上面对于不同事件是采用非线程的方式来处理，只是简单地调用处理的方法。在实际中，如果存在大量连接、读写请求，可以考虑使用线程池来更大程度地并发处理，提高服务端处理的速度和吞吐量，提升系统性能。