基于Java NIO的Socket通信

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。