Java 输入与输出之 NIO【非阻塞式IO】【NIO网络编程】探索之【二】

Java编程乐园2024-09-01 20:01

上一篇博客我们介绍了NIO的核心原理、FileChannel和Buffer, 对Buffer的用法有了清晰的了解。上篇博客：
Java 输入与输出之 NIO【非阻塞式IO】【NIO核心原理】探索之【一】

本篇博客我们将继续来探索NIO，介绍如何使用SocketChannel和ServerSocketChannel来实现TCP协议的非阻塞套接字（Socket）网络通信程序编程。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。例如，对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞；对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞，直到连接的另一端传来新的数据。总的来说，创建/接收连接或读写数据等I/O调用，都可能无限期地阻塞等待。

NIO的Channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，以实现非阻塞式的信道。

下面这行代码设置了通道的非阻塞模式：

channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如，在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法，如果有连接请求来了，则返回客户端SocketChannel，否则返回null。

三、利用NIO编写网络通信程序（Selector的核心应用）

网络通信相关的三大核心组件：

  1. 通道（channel）：负责管道节点的连接及数据的运输
  2. 缓冲区（buffer）：负责数据的存取
  3. 选择器（selector）及selectionKey：是selectableChannel的多路复用器，用于监控SelectableChannel的IO状况。而选择键（SelectionKey）则是一种将通道和选择器（Selector）进行关联的机制。

SocketChannel： 是通道Channel重要的实现类，用于TCP协议的网络通信，用于实现网络通讯客户端的应用程序；
ServerSocketChannel： 是通道Channel重要的实现类，用于监听TCP连接请求，主要用于实现网络通讯服务器端的应用程序。

阻塞与非阻塞

  1. 阻塞式
    传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，当一个线程调用 read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或写入，该线程在此期间不能执行其他任务。因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理，当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。
  2. 非阻塞式
    Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此，NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同
    时处理连接到服务器端的所有客户端。

利用Java NIO网络通讯应用程序的操作步骤和示意图

Java 在使用NIO进行网络编程时，多线程应用程序的操作步骤和示意图如下所示：

处理步骤：

  1. 创建通道：
    打开一个或多个通道，例如FileChannel、SocketChannel等。
    创建缓冲区：为每个通道创建一个或多个缓冲区，用于读取或写入数据。
  2. 注册通道：
    将通道注册到选择器，以便选择器可以监控这些通道的状态。
  3. 选择就绪通道：
    选择器等待通道就绪事件，一旦有通道准备好进行I/O操作，选择器将通知应用程序。
  4. 读取/写入数据：
    应用程序从通道读取数据或将数据写入通道，使用缓冲区来传输数据。

其中，通道和缓冲区是一对一的关系。每个通道都有一个与之对应的缓冲区，用于存储数据。

选择器（Selector）可以同时监视多个通道的状态。一个选择器可以绑定多个通道，以实现多路复用。

selectionKey有以下四个方法，可用来测试四种状态，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();

selectionKey.isConnectable();

selectionKey.isReadable();

selectionKey.isWritable();

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一个或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对"读就绪"的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

int select()

int select(long timeout)

int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。

网络通信应用例程

我们先来看一个网络通信应用的例程，客户端采用NIO实现，而服务端依旧使用IO实现。

  1. NIO非阻塞实现的客户端

采用NIO的客户端程序源代码：

cpp 复制代码 
package nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class SocketClientNIO {
    public static void client(){
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        try
        {
        	SocketAddress server = new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080);
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false); //非阻塞式
            socketChannel.connect(server);
            //与服务端连接成功
            if(socketChannel.finishConnect()) 
            {
                int i=0;
                while(true)
                {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "客户端发送信息，第 "+ ++i +"条";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes("GBK"));
                    buffer.flip(); //切换
                    while(buffer.hasRemaining()){
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }
        }
        catch (IOException | InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(socketChannel!=null){
                    socketChannel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

	public static void main(String[] args) {
		SocketClientNIO.client();
	}
}

网络通讯程序的服务器端的实现详解：

网络通讯服务器程序的核心逻辑：

服务器首先创建了一个非阻塞的ServerSocketChannel，并将其注册到Selector上去监听ACCEPT事件（即连接事件）。

在一个无限循环中，它会调用selector.select()来等待注册的事件发生，并处理这些事件。对于每个ACCEPT事件，它会接受新的连接，并将其设置为非阻塞模式。

在实际应用中，可以在接受连接后注册更多的事件（如读、写事件），并在事件处理代码中实现网络通信的业务处理逻辑。

选择器selector使用步骤

创建选择器selector

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector。

向选择器selector注册通道

注册之前，先设置通道为非阻塞的，channel.configureBlocking(false);然后再调用SelectableChannel.register(Selector sel,int ops)方法将channel注册到Selector中；其中ops的参数作用是设置选择器对通道的监听事件，ops参数的事件类型有四种（可以通过SelectionKey的四个常量表示）：

（1）读取操作：SelectionKey.OP_READ,数值为1.

（2）写入操作：SelectionKey.OP_WRITE,数值为4.

（3）socket连接操作：SelectionKey.OP_CONNECT,数值为8.

（4）socket接受操作：SelectionKey .OP_ACCEPT,数值为16.

若注册时不止监听一个事件，可以使用"| 位或"操作符连接。

选择键SelectionKey

表示SelectableChannel在Selector中的注册的标志，每次向选择器注册通道的时候就会选择一个事件（以上四种事件类型）即选择键，选择键包含两个表示位整数值的操作集（分别为interst集合和ready集合），操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。

下面我们提供三个服务器应用程序的版本。

  1. 服务器版本一，采用阻塞式IO实现的网络通讯服务器端程序（特点是简单）的源代码：
cpp 复制代码 
package nio;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;

public class SocketServerIO {
    public static void server(){
        ServerSocket serverSocket = null;
        InputStream in = null;
        try
        {
            serverSocket = new ServerSocket(8080);
            System.out.println("服务器开启，等待接收客户端连接");
            int recvMsgSize = 0;
            byte[] recvBuf = new byte[1024];
            while(true){
                Socket client = serverSocket.accept();
                SocketAddress clientAddr = client.getRemoteSocketAddress();
                System.out.println("接收到客户端,连接IP: "+clientAddr);
                in = client.getInputStream();
                while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){
                    byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                    System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
                    System.out.println("接收报文："+new String(temp,"GBK"));
                }
            }
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(serverSocket!=null){
                    serverSocket.close();
                }
                if(in!=null){
                    in.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

	public static void main(String[] args) {
		SocketServerIO.server();
	}

}

现在我们来调试一下这一对服务端和客户端网络通讯程序。

首先，编译后执行服务端应用程序，开启服务器服务，以接受客户端的请求；

然后，编译执行客户端的应用程序。下面是服务端的测试效果：

  1. 服务器版本二，利用NIO实现的非阻塞模式的网络通讯服务器端
    本例程的Buffer采用非直接缓冲区：
    // 创建一个缓冲区
    private static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    服务器源代码如下：
cpp 复制代码 
package nio;
/***
 * @author QiuGen
 * @description  NIO网络通讯服务器
 * *** 本例程的Buffer采用非直接缓冲区
 * @date 2024/8/28
 * ***/
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 SocketServer {
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    // 创建一个缓冲区
    private static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
	public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        // 获取当前key的通道
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

        // 从通道中读取数据到缓冲区
        int len = socketChannel.read(buffer);
        String inf = null;
        byte[] tmpBuf = new byte[1024];
        while ( len > 0 ) {
            buffer.flip(); //切换
            while(buffer.hasRemaining()){
            	buffer.get(tmpBuf, 0, len);
            	inf = new String(tmpBuf, "GBK");
                System.out.print("接收报文: "+inf);
            }
            System.out.println();
            buffer.clear(); //初始化缓冲区
            len = socketChannel.read(buffer);
        }
	}
	
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        //ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
    	buffer.flip(); //切换
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buffer.hasRemaining()){
            sc.write(buffer);
        }
        buffer.compact();
    }
	
	public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个服务器套接字通道
        ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 将服务器套接字通道绑定到指定端口
        socketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 将服务器套接字通道设置为非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 创建一个选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 将服务器套接字通道注册到选择器上，监听连接事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("SocketServerNIO非直接缓冲区，服务端启动***");

        while (true) {
        	//等待选择器Selector上注册的事件
            if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                System.out.println("服务器空闲，等待客户端连接***");
                continue;
            }
            
            // 获取所有发生的SelectionKey
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 遍历所有SelectionKey
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取当前SelectionKey
                SelectionKey key = iterator.next();

                // 判断当前键的通道是否准备好接收socket连接
                if (key.isAcceptable()) { // 处理客户端连接事件
                    // 接受客户端连接
                    SocketChannel sc = socketChannel.accept();

                    // 将客户端连接通道设置为非阻塞模式
                    sc.configureBlocking(false);

                    // 将客户端连接通道注册到选择器上，监听读事件
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    // 判断当前key的通道是否准备好读取操作
                } 
                if (key.isReadable()) { //处理读事件
                	handleRead(key);
                }
                if(key.isWritable() && key.isValid()){ //处理写事件
                    handleWrite(key); 
                }

                // 移除当前事件
                iterator.remove();
            }
        }
	}
}

与客户端连调，测试结果如下：

  1. 服务器版本三，利用NIO实现的非阻塞模式的网络通讯服务器端应用程序源码：
    本例程的Buffer采用直接缓冲区：
    ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE);
cpp 复制代码 
package 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;
public class SocketServerNIO {
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
 
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        int bytesRead = sc.read(buf);
        String inf = null;
        byte[] tmpBuf = new byte[1024];
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
            	//System.out.print((char)buf.get());
            	buf.get(tmpBuf, 0, bytesRead);
            	inf = new String(tmpBuf, "GBK");
                System.out.print("接收报文: "+inf);
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
 
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
 
    public static void server() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("SocketServerNIO，服务端启动***");
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("服务端空闲，等待客户端连接==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
 
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    

	public static void main(String[] args) {
		SocketServerNIO.server();
	}

}

以同样方法进行网络通讯测试：首先编译后执行服务器端应用程序；然后编译执行上面同一个客户端应用程序发送报文。服务端测试结果如下图：

说明：

对于大负荷的服务器应用程序实现时，建议Buffer采用直接缓冲区方案，应当会有更优异的性能。

参考文献&博客：

  1. 参考文献之一
    攻破JAVA NIO技术壁垒
  2. 参考文献之二
    Java NIO详解[通俗易懂]
  3. 参考文献之三
    Java NIO全面详解(看这篇就够了)
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