NIO 编程及代码实现

一时失言乱红尘 2022-06-08 09:47 175阅读 0赞

## NIO 编程 ##

JDK 1.4中的java.nio.\*包中引入新的Java I/O库，其目的是提高速度。实际上，“旧”的I/O包已经使用NIO重新实现过，即使我们不显式的使用NIO编程，也能从中受益。速度的提高在文件I/O和网络I/O中都可能会发生，但本文只讨论后者。

###     2.1、简介 ###

NIO我们一般认为是New I/O（也是官方的叫法），因为它是相对于老的I/O类库新增的（其实在JDK 1.4中就已经被引入了，但这个名词还会继续用很久，即使它们在现在看来已经是“旧”的了，所以也提示我们在命名时，需要好好考虑），做了很大的改变。但民间跟多人称之为Non-block I/O，即非阻塞I/O，因为这样叫，更能体现它的特点。而下文中的NIO，不是指整个新的I/O库，而是非阻塞I/O。

NIO提供了与传统BIO模型中的Socket和ServerSocket相对应的SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

新增的着两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。

下面会先对基础知识进行介绍。

###     2.2、缓冲区 Buffer ###

Buffer是一个对象，包含一些要写入或者读出的数据。

在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。

具体的缓存区有这些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。

###     2.3、通道 Channel ###

我们对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。

底层的操作系统的通道一般都是全双工的，所以全双工的Channel比流能更好的映射底层操作系统的API。

Channel主要分两大类：

*      SelectableChannel：用户网络读写
 *      FileChannel：用于文件操作

后面代码会涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类。

###     2.4、多路复用器 Selector ###

Selector是Java  NIO 编程的基础。

Selector提供选择已经就绪的任务的能力：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。

一个Selector可以同时轮询多个Channel，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048的限制。所以，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

###     2.5、NIO服务端 ###

代码比传统的Socket编程看起来要复杂不少。

直接贴代码吧，以注释的形式给出代码说明。

**NIO创建的Server源码：**

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain][?][view plain]

1.  **package** com.anxpp.io.calculator.nio;  
2.  **public** **class** Server \{  
3.      **private** **static** **int** DEFAULT\_PORT = 12345;  
4.      **private** **static** ServerHandle serverHandle;  
5.      **public** **static** **void** start()\{  
6.          start(DEFAULT\_PORT);  
7.      \}  
8.      **public** **static** **synchronized** **void** start(**int** port)\{  
9.          **if**(serverHandle!=**null**)  
10.             serverHandle.stop();  
11.         serverHandle = **new** ServerHandle(port);  
12.         **new** Thread(serverHandle,"Server").start();  
13.     \}  
14.     **public** **static** **void** main(String\[\] args)\{  
15.         start();  
16.     \}  
17. \}

ServerHandle：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain][?][view plain]

1.  **package** com.anxpp.io.calculator.nio;  
2.  **import** java.io.IOException;  
3.  **import** java.net.InetSocketAddress;  
4.  **import** java.nio.ByteBuffer;  
5.  **import** java.nio.channels.SelectionKey;  
6.  **import** java.nio.channels.Selector;  
7.  **import** java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
8.  **import** java.nio.channels.SocketChannel;  
9.  **import** java.util.Iterator;  
10. **import** java.util.Set;  
11.   
12. **import** com.anxpp.io.utils.Calculator;  
13. /\*\* 
14.  \* NIO服务端 
15.  \* @author yangtao\_\_anxpp.com 
16.  \* @version 1.0 
17.  \*/  
18. **public** **class** ServerHandle **implements** Runnable\{  
19.     **private** Selector selector;  
20.     **private** ServerSocketChannel serverChannel;  
21.     **private** **volatile** **boolean** started;  
22.     /\*\* 
23.      \* 构造方法 
24.      \* @param port 指定要监听的端口号 
25.      \*/  
26.     **public** ServerHandle(**int** port) \{  
27.         **try**\{  
28.             //创建选择器  
29.             selector = Selector.open();  
30.             //打开监听通道  
31.             serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
32.             //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  
33.             serverChannel.configureBlocking(**false**);//开启非阻塞模式  
34.             //绑定端口 backlog设为1024  
35.             serverChannel.socket().bind(**new** InetSocketAddress(port),1024);  
36.             //监听客户端连接请求  
37.             serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP\_ACCEPT);  
38.             //标记服务器已开启  
39.             started = **true**;  
40.             System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);  
41.         \}**catch**(IOException e)\{  
42.             e.printStackTrace();  
43.             System.exit(1);  
44.         \}  
45.     \}  
46.     **public** **void** stop()\{  
47.         started = **false**;  
48.     \}  
49.     @Override  
50.     **public** **void** run() \{  
51.         //循环遍历selector  
52.         **while**(started)\{  
53.             **try**\{  
54.                 //无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次  
55.                 selector.select(1000);  
56.                 //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.  
57. //              selector.select();  
58.                 Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
59.                 Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();  
60.                 SelectionKey key = **null**;  
61.                 **while**(it.hasNext())\{  
62.                     key = it.next();  
63.                     it.remove();  
64.                     **try**\{  
65.                         handleInput(key);  
66.                     \}**catch**(Exception e)\{  
67.                         **if**(key != **null**)\{  
68.                             key.cancel();  
69.                             **if**(key.channel() != **null**)\{  
70.                                 key.channel().close();  
71.                             \}  
72.                         \}  
73.                     \}  
74.                 \}  
75.             \}**catch**(Throwable t)\{  
76.                 t.printStackTrace();  
77.             \}  
78.         \}  
79.         //selector关闭后会自动释放里面管理的资源  
80.         **if**(selector != **null**)  
81.             **try**\{  
82.                 selector.close();  
83.             \}**catch** (Exception e) \{  
84.                 e.printStackTrace();  
85.             \}  
86.     \}  
87.     **private** **void** handleInput(SelectionKey key) **throws** IOException\{  
88.         **if**(key.isValid())\{  
89.             //处理新接入的请求消息  
90.             **if**(key.isAcceptable())\{  
91.                 ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();  
92.                 //通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例  
93.                 //完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立  
94.                 SocketChannel sc = ssc.accept();  
95.                 //设置为非阻塞的  
96.                 sc.configureBlocking(**false**);  
97.                 //注册为读  
98.                 sc.register(selector, SelectionKey.OP\_READ);  
99.             \}  
100.             //读消息  
101.             **if**(key.isReadable())\{  
102.                 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();  
103.                 //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区  
104.                 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
105.                 //读取请求码流，返回读取到的字节数  
106.                 **int** readBytes = sc.read(buffer);  
107.                 //读取到字节，对字节进行编解码  
108.                 **if**(readBytes>0)\{  
109.                     //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作  
110.                     buffer.flip();  
111.                     //根据缓冲区可读字节数创建字节数组  
112.                     **byte**\[\] bytes = **new** **byte**\[buffer.remaining()\];  
113.                     //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中  
114.                     buffer.get(bytes);  
115.                     String expression = **new** String(bytes,"UTF-8");  
116.                     System.out.println("服务器收到消息：" + expression);  
117.                     //处理数据  
118.                     String result = **null**;  
119.                     **try**\{  
120.                         result = Calculator.cal(expression).toString();  
121.                     \}**catch**(Exception e)\{  
122.                         result = "计算错误：" + e.getMessage();  
123.                     \}  
124.                     //发送应答消息  
125.                     doWrite(sc,result);  
126.                 \}  
127.                 //没有读取到字节 忽略  
128. //              else if(readBytes==0);  
129.                 //链路已经关闭，释放资源  
130.                 **else** **if**(readBytes<0)\{  
131.                     key.cancel();  
132.                     sc.close();  
133.                 \}  
134.             \}  
135.         \}  
136.     \}  
137.     //异步发送应答消息  
138.     **private** **void** doWrite(SocketChannel channel,String response) **throws** IOException\{  
139.         //将消息编码为字节数组  
140.         **byte**\[\] bytes = response.getBytes();  
141.         //根据数组容量创建ByteBuffer  
142.         ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
143.         //将字节数组复制到缓冲区  
144.         writeBuffer.put(bytes);  
145.         //flip操作  
146.         writeBuffer.flip();  
147.         //发送缓冲区的字节数组  
148.         channel.write(writeBuffer);  
149.         //\*\*\*\*此处不含处理“写半包”的代码  
150.     \}  
151. \}

可以看到，创建NIO服务端的主要步骤如下：

> 1.      打开ServerSocketChannel，监听客户端连接
> 2.      绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式
> 3.      创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程
> 4.      将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的Selector上，监听ACCEPT事件
> 5.      Selector轮询准备就绪的key
> 6.      Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路
> 7.      设置客户端链路为非阻塞模式
> 8.      将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息
> 9.      异步读取客户端消息到缓冲区
> 10.     对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task
> 11.     将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端

因为应答消息的发送，SocketChannel也是异步非阻塞的，所以不能保证一次能吧需要发送的数据发送完，此时就会出现写半包的问题。我们需要注册写操作，不断轮询Selector将没有发送完的消息发送完毕，然后通过Buffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。

###     2.6、NIO客户端 ###

还是直接上代码吧，过程也不需要太多解释了，跟服务端代码有点类似。

Client：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain][?][view plain]

1.  **package** com.anxpp.io.calculator.nio;  
2.  **public** **class** Client \{  
3.      **private** **static** String DEFAULT\_HOST = "127.0.0.1";  
4.      **private** **static** **int** DEFAULT\_PORT = 12345;  
5.      **private** **static** ClientHandle clientHandle;  
6.      **public** **static** **void** start()\{  
7.          start(DEFAULT\_HOST,DEFAULT\_PORT);  
8.      \}  
9.      **public** **static** **synchronized** **void** start(String ip,**int** port)\{  
10.         **if**(clientHandle!=**null**)  
11.             clientHandle.stop();  
12.         clientHandle = **new** ClientHandle(ip,port);  
13.         **new** Thread(clientHandle,"Server").start();  
14.     \}  
15.     //向服务器发送消息  
16.     **public** **static** **boolean** sendMsg(String msg) **throws** Exception\{  
17.         **if**(msg.equals("q")) **return** **false**;  
18.         clientHandle.sendMsg(msg);  
19.         **return** **true**;  
20.     \}  
21.     **public** **static** **void** main(String\[\] args)\{  
22.         start();  
23.     \}  
24. \}

ClientHandle：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain][?][view plain]

1.  **package** com.anxpp.io.calculator.nio;  
2.  **import** java.io.IOException;  
3.  **import** java.net.InetSocketAddress;  
4.  **import** java.nio.ByteBuffer;  
5.  **import** java.nio.channels.SelectionKey;  
6.  **import** java.nio.channels.Selector;  
7.  **import** java.nio.channels.SocketChannel;  
8.  **import** java.util.Iterator;  
9.  **import** java.util.Set;  
10. /\*\* 
11.  \* NIO客户端 
12.  \* @author yangtao\_\_anxpp.com 
13.  \* @version 1.0 
14.  \*/  
15. **public** **class** ClientHandle **implements** Runnable\{  
16.     **private** String host;  
17.     **private** **int** port;  
18.     **private** Selector selector;  
19.     **private** SocketChannel socketChannel;  
20.     **private** **volatile** **boolean** started;  
21.   
22.     **public** ClientHandle(String ip,**int** port) \{  
23.         **this**.host = ip;  
24.         **this**.port = port;  
25.         **try**\{  
26.             //创建选择器  
27.             selector = Selector.open();  
28.             //打开监听通道  
29.             socketChannel = SocketChannel.open();  
30.             //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  
31.             socketChannel.configureBlocking(**false**);//开启非阻塞模式  
32.             started = **true**;  
33.         \}**catch**(IOException e)\{  
34.             e.printStackTrace();  
35.             System.exit(1);  
36.         \}  
37.     \}  
38.     **public** **void** stop()\{  
39.         started = **false**;  
40.     \}  
41.     @Override  
42.     **public** **void** run() \{  
43.         **try**\{  
44.             doConnect();  
45.         \}**catch**(IOException e)\{  
46.             e.printStackTrace();  
47.             System.exit(1);  
48.         \}  
49.         //循环遍历selector  
50.         **while**(started)\{  
51.             **try**\{  
52.                 //无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次  
53.                 selector.select(1000);  
54.                 //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.  
55. //              selector.select();  
56.                 Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
57.                 Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();  
58.                 SelectionKey key = **null**;  
59.                 **while**(it.hasNext())\{  
60.                     key = it.next();  
61.                     it.remove();  
62.                     **try**\{  
63.                         handleInput(key);  
64.                     \}**catch**(Exception e)\{  
65.                         **if**(key != **null**)\{  
66.                             key.cancel();  
67.                             **if**(key.channel() != **null**)\{  
68.                                 key.channel().close();  
69.                             \}  
70.                         \}  
71.                     \}  
72.                 \}  
73.             \}**catch**(Exception e)\{  
74.                 e.printStackTrace();  
75.                 System.exit(1);  
76.             \}  
77.         \}  
78.         //selector关闭后会自动释放里面管理的资源  
79.         **if**(selector != **null**)  
80.             **try**\{  
81.                 selector.close();  
82.             \}**catch** (Exception e) \{  
83.                 e.printStackTrace();  
84.             \}  
85.     \}  
86.     **private** **void** handleInput(SelectionKey key) **throws** IOException\{  
87.         **if**(key.isValid())\{  
88.             SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();  
89.             **if**(key.isConnectable())\{  
90.                 **if**(sc.finishConnect());  
91.                 **else** System.exit(1);  
92.             \}  
93.             //读消息  
94.             **if**(key.isReadable())\{  
95.                 //创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区  
96.                 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
97.                 //读取请求码流，返回读取到的字节数  
98.                 **int** readBytes = sc.read(buffer);  
99.                 //读取到字节，对字节进行编解码  
100.                 **if**(readBytes>0)\{  
101.                     //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作  
102.                     buffer.flip();  
103.                     //根据缓冲区可读字节数创建字节数组  
104.                     **byte**\[\] bytes = **new** **byte**\[buffer.remaining()\];  
105.                     //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中  
106.                     buffer.get(bytes);  
107.                     String result = **new** String(bytes,"UTF-8");  
108.                     System.out.println("客户端收到消息：" + result);  
109.                 \}  
110.                 //没有读取到字节 忽略  
111. //              else if(readBytes==0);  
112.                 //链路已经关闭，释放资源  
113.                 **else** **if**(readBytes<0)\{  
114.                     key.cancel();  
115.                     sc.close();  
116.                 \}  
117.             \}  
118.         \}  
119.     \}  
120.     //异步发送消息  
121.     **private** **void** doWrite(SocketChannel channel,String request) **throws** IOException\{  
122.         //将消息编码为字节数组  
123.         **byte**\[\] bytes = request.getBytes();  
124.         //根据数组容量创建ByteBuffer  
125.         ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
126.         //将字节数组复制到缓冲区  
127.         writeBuffer.put(bytes);  
128.         //flip操作  
129.         writeBuffer.flip();  
130.         //发送缓冲区的字节数组  
131.         channel.write(writeBuffer);  
132.         //\*\*\*\*此处不含处理“写半包”的代码  
133.     \}  
134.     **private** **void** doConnect() **throws** IOException\{  
135.         **if**(socketChannel.connect(**new** InetSocketAddress(host,port)));  
136.         **else** socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP\_CONNECT);  
137.     \}  
138.     **public** **void** sendMsg(String msg) **throws** Exception\{  
139.         socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP\_READ);  
140.         doWrite(socketChannel, msg);  
141.     \}  
142. \}

###     2.7、演示结果 ###

首先运行服务器，顺便也运行一个客户端：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain][?][view plain]

1.  **package** com.anxpp.io.calculator.nio;  
2.  **import** java.util.Scanner;  
3.  /\*\* 
4.   \* 测试方法 
5.   \* @author yangtao\_\_anxpp.com 
6.   \* @version 1.0 
7.   \*/  
8.  **public** **class** Test \{  
9.      //测试主方法  
10.     @SuppressWarnings("resource")  
11.     **public** **static** **void** main(String\[\] args) **throws** Exception\{  
12.         //运行服务器  
13.         Server.start();  
14.         //避免客户端先于服务器启动前执行代码  
15.         Thread.sleep(100);  
16.         //运行客户端   
17.         Client.start();  
18.         **while**(Client.sendMsg(**new** Scanner(System.in).nextLine()));  
19.     \}  
20. \}

我们也可以单独运行客户端，效果都是一样的。

一次测试的结果：

1.  服务器已启动，端口号：12345
2.  1\+2\+3\+4\+5\+6
3.  服务器收到消息：1\+2\+3\+4\+5\+6
4.  客户端收到消息：21
5.  1\*2/3\-4\+5\*6/7\-8
6.  服务器收到消息：1\*2/3\-4\+5\*6/7\-8
7.  客户端收到消息：-7.0476190476190474

运行多个客户端，都是没有问题的。

[view plain]: http://blog.csdn.net/anxpp/article/details/51512200#