（五）socket·NIO socket 的基本介绍

秒速五厘米 2022-05-03 11:30 266阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *   *   *  前言
                 *  阻塞和非阻塞
                 *  Java 的 IO 和 NIO
                 *  NIO 中的几个概念 Channel 、Buffer 和 Selector
                 *   *  Selector 的创建和关闭
                     *  ServerSocketChannel 和 SocketChannel 是 Socket 场景下对 Channel 的一种具体实现
                     *  服务端 ServerSocketChannel 的声明
                     *  客户端 SocketChannel 的声明
                     *  服务端 ServerSocketChannel 获取客户端访问 SocketChannel 的方法 accept()
                 *  SelectionKey 是 Channel 和 Selector 的关联凭证
                 *   *  SelectionKey 预期状态的设定和更新-感兴趣的事件
                     *  SelectionKey 的四个状态
                     *  SelectionKey 实际状态的判断
                     *  通过 Selector 获取 SelectionKey 集合
                     *  可以通过 SelectionKey 获取 Channel，强制转化为具体类型
                     *  SelectionKey 可以携带附加对象
                     *  SelectionKey 携带附加对象的获取
                 *  参考资料

##### 前言 #####

> 在网络通信中，服务器端需要接收客户端传递的信息并进行处理，如果在接收信息的同时服务器端只能等待IO，显然会造成服务器资源的浪费，也可能造成服务的阻塞。所以本文介绍NIO 并在 Socket 通信中加以实践运用。

##### 阻塞和非阻塞 #####

> 本段摘自 《Java 高并发程序设计》  
> “阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间对相互影响。比如一个线程占用了临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。此时，如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其他所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。”  
> 非阻塞就是相反的意思  
> `NIO 既可以设置为阻塞的，也可以设置为非阻塞的`

##### Java 的 IO 和 NIO #####

> Java 的 IO 是阻塞的，简单说就是一个线程在处理一个信息的时候，从输入、处理、成功返回或者报错，期间处理端的资源会被一直占用，而 IO 本身是一个十分耗费时间的过程，从而造成了资源的浪费和效率的下降。而NIO，又被成为 New IO 或者 Non-block I/O,其允许数据传输`先`存储到缓存中，处理端通过轮询缓存的方式对已准备好对队列进行处理，I/O传输和数据处理分离了，从而提高了 IO 效率。  
> （更信息的内容请移步 [https://www.cnblogs.com/diegodu/p/6823855.html][https_www.cnblogs.com_diegodu_p_6823855.html] ，但是建议先别看了）

##### NIO 中的几个概念 Channel 、Buffer 和 Selector #####

> NIO 通过一组机制将数据传输和处理进行了分离，从而可以实现非阻塞的效果。  
> `Channel`:字面意思就是通道，比如服务端要获取客户端的信息，就要先获取通道，然后通过通道来进行信息的获取  
> `Buffer`:数据并非直接从客户端到服务端，而是先被放到缓存区中，然后服务端从通道中读取或者写入缓存，这个缓存就是 Buffer (描述的不是很书面化，但是我相信你有明白我的意思)  
> `Selector`:服务端并非直接获取到了 Channel ，而是需要先获取 Selector ，可以认为 Selector 是 Channel 的管理者，因为服务肯定不止一个，所以 Channel 也肯定不止一个。  
> 由于Buffer的存在，Channel 可以判断是否有数据需要处理，这样有则处理，没有则不处理，数据来来就先存在 Buffer 中，然后通过 Channel 去读或写。IO 部分的操作和业务流程操作解耦了。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jlc3RjeHg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

###### Selector 的创建和关闭 ######

> `java.nio.channels.Selector`  
> A selector may be created by invoking the \{ @link \#open open\} method of this class, which will use the system’s default `java.nio.channels.spi.SelectorProvider selector provider`to create a new selector. A selector may also be created by invoking the `java.nio.channels.spi.SelectorProvider#openSelector`  
> method of a custom selector provider. A selector remains open until it is  
> closed via its `close`method.  
> 支持异步关闭

Selector selector=null;//nio Selector
    	try{ 
        selector=SelectorProvider.provider().openSelector();//初始化 nio Selector
         selector.select(1000);//阻塞 selector 1000 毫秒，非必须
         }catch(IOException e){ 
             System.out.println("error 1,获取 Selector 失败"+e);
         }

###### ServerSocketChannel 和 SocketChannel 是 Socket 场景下对 Channel 的一种具体实现 ######

> 类似于标准和实现， Channel 是一个抽象，参考下图可以看到具体的类(或接口)关系，  
> ServerSocketChannel 和 SocketChannel 是 对 Channel 的一种具体实现，而且其适用于 Socket 场景

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Jlc3RjeHg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

###### 服务端 ServerSocketChannel 的声明 ######

> `java.nio.channels.ServerSocketChannel`  
> A server-socket channel is created by invoking the `open()`  
> method of this class. It is not possible to create a channel for an arbitrary,  
> pre-existing ServerSocket. A newly-created server-socket channel is open but not yet bound. An attempt to invoke the `accept()`method of an unbound server-socket channel will cause a \{@link NotYetBoundException\} to be thrown. A server-socket channel can be bound by invoking one of the \{@link \#bind(java.net.SocketAddress,int) bind\} methods defined by this class.

ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();//初始化服务端 SocketChannel serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(10000));//设置服务端端口
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);//非阻塞模式，否则就不是NIO了
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//将服务端 Channel 注册到 Selector,感兴趣事件为 准备接受

###### 客户端 SocketChannel 的声明 ######

> 客户端和服务端流程类似，只不过服务端是注册到 selector 时等待被连接，而客户端则是等待取得和服务端的连接

//Channel 多线程安全、支持异步关闭
    SocketChannel clientChannel=SocketChannel.open();//初始化 客户端 SocketChannel clientChannel.configureBlocking(false);//非阻塞模式，否则就不是NIO了
    clientChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",10000));//连接服务端 clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);//将 clientChannel 注册到selector,感兴趣事件为连接

###### 服务端 ServerSocketChannel 获取客户端访问 SocketChannel 的方法 accept() ######

> 这个方法将用于服务器端获取表示客户端 socket 访问的 SocketChannel

ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    SocketChannel clientChannel=serverSocketChannel.accept();

##### SelectionKey 是 Channel 和 Selector 的关联凭证 #####

> Channel 需要被注册到 Selector 进行"托管"  
> 每次向选择器(Selector)注册通道(Channel)时就会创建一个选择键。  
> 通过调用某个键(SelectionKey)的 cancel 方法关闭其通道，或者通过关闭其选择器来取消该键之前，它一直保持有效。取消某个键(SelectionKey)不会立即从其选择器中移除它；相反，会将该键(SelectionKey)添加到选择器(Selector)的已取消键集，以便在下一次进行选择操作时移除它。  
> 可通过调用某个键(SelectionKey)的 isValid 方法来测试其有效性。

###### SelectionKey 预期状态的设定和更新-感兴趣的事件 ######

> 有两种方式可以设定或者更新  
> 第一种：Channel 在注册到 Selector 时可以指定一个状态,表示这个 Channel 接下来可以做什么，状态有四种 `OP_READ`、`OP_WRITE`、`OP_CONNECT`、`OP_ACCEPT`  
> 比如下面到代码向 selector 注册 ServerSocketChannel ,状态为 OP\_ACCEPT，表示 selector 可以为 ServerSocketChannel 准备接收其他请求到相关工作了  
> 第二种是直接调用 SelectionKey 的成员方法  
> 需要注意的是，可以一次绑定多个类型，如下方式二的事例

//方式一：绑定时设定感兴趣事件
    		SelectionKey acceptKey=serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    //方式二：调用成员方法设定感兴趣事件
    selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);//重新注册感兴趣的消息事件

###### SelectionKey 的四个状态 ######

> 为了便于理解，笔者以服务器端使用 NIO socket 来说扩充了一些说明  
> SelectionKey 的key 的状态可以在注册时指定，也可以直接修改，但是指定后并不会立即变更，而是需要再次判断，比如设置为可读，还要判断这个 SelectionKey 是否可读，在实际使用中是使用轮训的方式进行状态查询的  
> `OP_ACCEPT`:可以接收。将表示服务器端的channel 注册到 selector 时指定获取的 SelectionKey 的状态，这样服务器端就可以准备接收客户端的访问了。  
> `OP_READ`: 可读，服务器端获取客户端的socket 请求并获取 channel 后，需要将该 channel 注册到 selector，状态为可读，这样才可以准备读取客户端的数据。  
> `OP_WRITE`：可写，服务端处理完毕客户端数据后，可以将表示客户端的 SelectionKey 的兴趣标志改为 可写，这样即可以在准备好后向客户端返回数据  
> `OP_CONNECT`:可连接，用于客户端使用 NIO socket 连接服务器端时使用

###### SelectionKey 实际状态的判断 ######

> 在将 Channel 在注册到 Selector 时 我们指定了这个 Channel 需要做到准备工作，这之后还需要判断通道是否满足了我们到预期状态  
> 比如初始化时预期状态为 OP\_READ，那么就要判断现在是否可以读了，可读状态满足后才可以读取或者设置为 OP\_WRITE ，可写状态满足后才可以写

// boolean 判断 selectionKey 是否可读
     selectionKey.isReadable()

###### 通过 Selector 获取 SelectionKey 集合 ######

> Channel 注册到 Selector 可以获取一个 SelectionKey，同样也可以直接通过 Seletor 获取已注册的所有 Channel 的SelectionKey集合。然后通过 SelectionKey 获取对应的 Channel

Set<SelectionKey> selectionKeySet=selector.selectedKeys();//获取 selector 中已注册 channel 的 SelectionKey 集合

###### 可以通过 SelectionKey 获取 Channel，强制转化为具体类型 ######

> 可以通过 SelectionKey 获取 Channel，强制转化为具体类型

//通过 SelectionKey 获取 ServerSocketChannel 对象-即表示服务端的 socketchannel
    ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) selectionKey对象.channel()
    
    //通过 SelectionKey 获取 SocketChannel 对象,即表示客户端访问的 socketchannel
    SocketChannel clent=(SocketChannel) selectionKey对象.channel()

###### SelectionKey 可以携带附加对象 ######

> SelectionKey 本身是可以携带附加对象的，添加的方式有两种  
> 第一种是在 Channel 绑定到 Selector 到时候  
> 第二种是调用 SelectionKey 的成员方法 .attach();

// 方式一：Channel 绑定到 Selector 时
    SelectionKey clientKey=clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ,"附加内容，可以是Object");
    
    //方式二：调用 SelectionKey 成员方法
    SelectionKey clientKey=clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    clientKey.attach("附加内容，可以是Object");

###### SelectionKey 携带附加对象的获取 ######

> 直接看代码

//你具体是啥类型就强制转化为啥类型
    Object object=(Object) selectionKey.attachment();

##### 参考资料 #####

\[1\]、[https://blog.csdn.net/zjy15203167987/article/details/82084093][https_blog.csdn.net_zjy15203167987_article_details_82084093]  
\[2\]、《Java 高并发程序设计》  
\[3\]、[https://www.cnblogs.com/diegodu/p/6823855.html][https_www.cnblogs.com_diegodu_p_6823855.html]  
\[4\]、[https://www.cnblogs.com/Free-Thinker/p/6231743.html][https_www.cnblogs.com_Free-Thinker_p_6231743.html]  
\[5\]、[https://blog.csdn.net/iteye\_11587/article/details/82681312][https_blog.csdn.net_iteye_11587_article_details_82681312]  
\[6\]、[https://www.cnblogs.com/sally-zhou/p/6624901.html][https_www.cnblogs.com_sally-zhou_p_6624901.html]

[https_www.cnblogs.com_diegodu_p_6823855.html]: https://www.cnblogs.com/diegodu/p/6823855.html
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[https_blog.csdn.net_zjy15203167987_article_details_82084093]: https://blog.csdn.net/zjy15203167987/article/details/82084093
[https_www.cnblogs.com_Free-Thinker_p_6231743.html]: https://www.cnblogs.com/Free-Thinker/p/6231743.html
[https_blog.csdn.net_iteye_11587_article_details_82681312]: https://blog.csdn.net/iteye_11587/article/details/82681312
[https_www.cnblogs.com_sally-zhou_p_6624901.html]: https://www.cnblogs.com/sally-zhou/p/6624901.html