NIO编程

　　本文参考《Netty权威指南》

　　与Socket类和ServerSocketl类相对应，NIO也提供SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

　　基本概念

　　1. 缓冲区Buffer

　　Buffer是一个对象，包含一些要写入或者要读出的数据。缓冲区实质上是一个数组，但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，它提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（Limit）等信息。

      

　　2. 通道Channel

　　Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流不同在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而通道可以用于读、写或者二者同时进行。

　　3. 多路复用器 Selector

　　Selector通过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。基于epoll操作（区别select的三点）。

　　NIO服务端序列图

　　

　　服务端代码：

　　

　　

public class NIOTimeServer {
    public static void main(String[] args){
        int port = 8082;
        if(args != null && args.length > 0){
            try{
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (Exception e){
                //采用默认值
            }
        }
        MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
        new Thread(timeServer,"NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    }
}

  

public class MultiplexerTimeServer implements Runnable{
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel servChannel;
    private volatile boolean stop;
    private int port;
    /**
     * 初始化多路复用器，绑定监听端口
     */
    public MultiplexerTimeServer(int port){
        this.port = port;
        try {
            //1. 打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，他是所有客户端连接的副管道
            servChannel = ServerSocketChannel.open();
            //2. 绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式
            servChannel.configureBlocking(false);
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
            //3. 创建多路复用器
            selector = Selector.open();
            //4. 将ServerSocketChannel注册到多路复用器Selector上，监听Accept事件
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("The time server is start in port: " + port);
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }
    public void setStop(){
        this.stop = true;
    }

    public void run(){
        //多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的key
        while(!stop){
            try{
                /**
                 * Selects a set of keys whose corresponding channels are ready for I/O operations.
                 * <p> This method performs a blocking <a href="#selop">selection
                 * operation</a>.  It returns only after at least one channel is selected,
                 * */
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey selectionKey = null;
                while(it.hasNext()){
                    selectionKey = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        //处理就绪的任务
                        handleInput(selectionKey);
                    } catch (Exception e){
                        if (selectionKey != null){
                            selectionKey.cancel();
                            if(selectionKey.channel() != null){
                                selectionKey.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            }catch (Throwable t){
                t.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        //处理新接入的请求消息
        if(key.isValid()){
            if(key.isAcceptable()){
                //Accept the new connect
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                //6. 多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                //7. 设置客户端链路为非阻塞模式
                sc.configureBlocking(false);
                //8. 将新接入的客户端连接注册到多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息
                sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            }
            if (key.isReadable()){
                //Read the data
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                //9. 异步读取客户端请求消息到缓冲区
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if(readBytes > 0){
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("The time server receive order: " + body);
                    String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body)? new java.util.Date(
                            System.currentTimeMillis()).toString():"Bad order";
                    System.out.println("currentTime: " + currentTime);
                    doWrite(sc,currentTime);
                } else if(readBytes <0){
                    //对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                } else ; //读到0字节，忽略
            }
        }
    }
    private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException{
        if(response != null && response.trim().length() > 0){
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            //将消息异步发送到客户端
            channel.write(writeBuffer);
        }
    }
}

　　NIO客户端序列图

　　

　　客户端代码：

　　

　　

public class NIOTimeClient {
    public static void main(String[] args){
        int port = 8082;
        if(args != null && args.length >0){
            try{
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e){
                //采用默认值
            }
        }
        new Thread(new NIOTimeClientHandle("192.168.1.107",port),"TimeClient - 001").start();
    }
}

　　

public class NIOTimeClientHandle implements Runnable{
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean stop;

    public NIOTimeClientHandle(String host,int port){
        this.host = host;
        this.port = port;
        try {
            //初始化NIO的多路复用器和SocketChannel,
            //1. 打开SocketChannel，绑定客户端本地地址（可选默认系统会随机分配一个可用的本地地址）
            selector = Selector.open();
            socketChannel = SocketChannel.open();
            //需要注意：SocketChannel创建之后，需要将其设置为异步非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    public void run(){
        //发送连接请求，因为是示例，没有做重连操作
        try {
            //4 5 步
            doConnect();
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        /**
         * 循环体中轮询多路复用器Selector。当有就绪的channel时，执行 handleInput(key)方法
         */
        while(!stop){
            try{
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    } catch (Exception e){
                        if(key != null){
                            key.cancel();
                        }
                    }
                }
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
    }
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        /**
         public abstract boolean isValid()
         Tells whether or not this key is valid.
         A key is valid upon creation and remains so until it is cancelled,
         its channel is closed, or its selector is closed.
         */
        if(key.isValid()){
            //判断是否连接成功
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            /**
             public final boolean isConnectable()
             Tests whether this key's channel has either finished, or failed to finish,
             its socket-connection operation.
             */
            /**
             * 首先对Selection进行判断，看它处于什么状态，如果是处于连接状态，说明服务器已经返回ACK应答消息。
             * 这是我们需要对连接结果进行判断，调用SocketChannel的finishConnect()方法，如果返回值为true,说明
             * 客户端连接成功，否则是失败。将SocketChannel注册到多路复用器上，注册SelectionKey.OP_READ操作位，
             * 监听网络读操作
             */
            if(key.isConnectable()){
                /**
                 public abstract boolean finishConnect() throws IOException
                 Finishes the process of connecting a socket channel.
                 */
                if(sc.finishConnect()){
                    sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                    doWrite(sc);
                } else{
                    System.exit(1); //连接失败，进程退出
                }
            }
            //读取消息预先分配1MB的接收缓冲区用于读取应答消息
            if(key.isReadable()){
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if(readBytes > 0){
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("Now is: " +  body);
                    this.stop = true;
                } else if (readBytes < 0){
                    //对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                } else ;
            }
        }
    }
    private void doConnect() throws IOException{
        //如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
        /**
         * 首先对SocketChannel的connect()操作进行判断。如果连接成功，则将SocketChannel注册到
         * 多路复用器Selector上，注册SelectionKey.OP_READ；如果没有直接连接成功，则说明
         * 服务端没有返回TCP握手应答消息，但这并不代表连接失败。而是注册SelectionKey.OP_CONNECT
         * 当服务端返回TCP syn-ack消息后，Selector就能轮询到这个SocketChannel处于连接就绪状态
         */
        //4. 判断是否连接成功，如果连接成功，则直接注册读状态位到多路复用器中
        if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(socketChannel);
        } else {
            //5, 向多路复用器注册OP_CONNECT状态位，监听服务端的TCP ACK应答
            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }
    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException{
        byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
        writeBuffer.put(req);
        writeBuffer.flip();
        sc.write(writeBuffer);
        if(!writeBuffer.hasRemaining()){
            System.out.println("Send order 2 server succeed.");
        }
    }
}

　　

　　服务端执行结果：

　　

　　客户端执行结果：

　　

　　NIO优点总结：

　　1. 客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要想之前的客户端那样被同步阻塞。

　　2. SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据他不会同步等待，直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用

　　3.  线程模型的优化，采用epoll实现，没有连接句柄数的限制。适合做高性能、高负载的网络服务器。