Socket编程（二）（NIO）

迷南。 2022-05-11 12:46 248阅读 0赞

与Socket和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

### 1.缓冲区Buffer ###

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或读出的数据。在NIO类库加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中。

在NIO库中所有数据都用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中。在写入数据时，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。

缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组。除了ByteBuffer还有其他缓冲区，除了Boolean类型每一种Java基本类型都对应一种缓冲区。

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### 2.通道Channel ###

Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或OutputStream的子类），而通道可以用于读、写或者两者同时进行。因为Channel是双全工的，所以它可以比流更好的映射底层操作系统的API。

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从类图中可以看出Channel可以分为两大类：用于网络读写的SelectableChannel和用于文件操作的FileChannel。

### 3.多路复用器Selector ###

多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来说Selector会不断地轮询注册其上的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。

一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048的限制。这也就意味着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。

服务端代码：

//nio 时间服务器 
    public class TimeServer {
    	public static void main(String[] args) {
    		int port = 9999;
    		MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
    		new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    	}
    }

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.Date;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class MultiplexerTimeServer implements Runnable {
    	private Selector selector;
    	private ServerSocketChannel servChannel;
    	private volatile boolean stop;
    
    	public MultiplexerTimeServer(int port) {
    		try {
    			selector = Selector.open();
    			servChannel = ServerSocketChannel.open();
    			servChannel.configureBlocking(false);
    			servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
    			servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    			System.out.println("时间服务器在端口启动：" + port);
    		} catch (IOException e) {
    			e.printStackTrace();
    			System.exit(1);
    		}
    	}
    
    	public void stop() {
    		this.stop = true;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		while (!stop) {
    			try {
    				selector.select(1000);
    				Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    				Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
    				SelectionKey key = null;
    				while (it.hasNext()) {
    					key = it.next();
    					it.remove();
    					try {
    						handleInput(key);
    					} catch (Exception e) {
    						if (key != null) {
    							key.cancel();
    							if (key.channel() != null) {
    								key.channel().close();
    							}
    						}
    					}
    				}
    			} catch (IOException e) {
    				e.printStackTrace();
    			}
    		}
    		if (selector != null) {
    			try {
    				System.out.println("选择器不为空");
    				selector.close();
    			} catch (IOException e) {
    				e.printStackTrace();
    			}
    		}
    	}
    
    	private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
    		if (key.isValid()) {
    			// 判断是否是个有效的句柄
    			if (key.isAcceptable()) { 
    				// 接受请求
    				ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
    				SocketChannel sc = ssc.accept();
    				sc.configureBlocking(false); 
    				// 添加新连接到 selector
    				sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    			}
    			if (key.isReadable()) { 
    				// 读取数据
    				SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    				ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 为ByteBuffer分配空间大小（位于 jvm） 
    				//ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);// 为ByteBuffer分配空间大小(基于操作系统)
    				int readBytes = sc.read(readBuffer);
    				if (readBytes > 0) {
    					readBuffer.flip();
    					// 将缓存字节数组的指针设置为数组的开始序列即数组下标0
    					byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
    					// 返回剩余的可用长度，此长度为实际读取的数据长度，最大自然是底层数组的长度
    					readBuffer.get(bytes);
    					String body = new String(bytes, "UTF-8");
    					System.out.println("时间服务器接收数据 : " + body);
    					String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body)
    							? new Date(System.currentTimeMillis()).toString()
    							: "BAD ORDER";
    					doWrite(sc, currentTime);
    				} else if (readBytes < 0) {
    					// 对端链路关闭
    					key.cancel();
    					sc.close();
    				} else { 
    					// 读取到 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position 设置为0
    			channel.write(writeBuffer);
    			writeBuffer.clear();
    		}
    	}
    }

代码分析：

1.首先会在构造方法中进行资源初始化，创建多路复用器Selector、ServerSocketChannel，对Channel和TCP参数进行配置。如，将ServerSocketChannel设置为异步非阻塞模式，它的backlog设为1024，系统资源初始化成功后，将ServerSocketChannel注册到Selector，监听SelectionKey.OP\_ACCEPT操作位。如果资源初始化失败，则退出。

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2.在run方法的while循环体中循环遍历selector，设置休眠时间为1s。无论是否有读写事件发生，selector每隔1s都被唤醒一次。selector也有一个无参的select方法：当有处于就绪状态的Channel时，selector将返回该Channel的SelectionKey集合。通过对就绪状态的Channel集合进行迭代，可以进行网络的异步读写操作。![70 3][]

3.当有客户端接入时，根据SelectionKey的操作位进行判断获知网络事件的类型，通过ServerSocketChannel的accept接受客户端的连接请求并创建SocketChannel实例。完成上述操作后，相当于完成了TCP的三次握手，TCP物理链路正式建立。然后将新创建的SocketChannel设置成异步非阻塞。

![70 4][]

4.然后就是读取客户端请求，首先创建一个ByteBuffer，然后调用SocketChannel的read方法读取请求码流。因为此时已经把SocketChannel设置为异步非阻塞模式，因此它的read是非阻塞的。所以要将返回值进行判断：

1.返回值大于0：读取到字节，对字节进行编解码。

2.返回值等于0：没有读取到字节，忽略；

3.返回值小于0：链路已经关闭，需要关闭SocketChannel释放资源。

当读取到码流后，进行解码。首先对readBuffer进行flip操作，它的作用是将缓冲区当前的limit设置为position，position设置为0，用于后续对缓冲区进行读取操作。然后根据缓冲区可读字节个数创建字节数组，调用ByteBuffer的get操作将缓冲区可读的字节数组复制到新创建的字节数组中，最后调用字符串构造将其打印出来。如果请求的字符串是“QUERY TIME ORDER”则把服务器的当前时间编码后返回给客户端。

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5.在读取完数据后会调用doWrite方法，首先他会将字符串编码成字节数组，根据字节数组的容量创建ByteBuffer，调用ByteBuffer的put操作将字节数组复制到缓冲区中，然后对缓冲区进行flip操作，最后调用SocketChannel的write方法将缓冲区中的字节数组发送出去。由于SocketChannel是异步非阻塞的，他并不保证一次能够把需要发送的字节数组发送完，此时会出现“写半包”问题。我们需要注册写操作，不断轮询Selector将没有发送完的ByteBuffer发送完毕，然后通过ByteBuffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。

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客户端代码：,

public class TimeClient {
    	public static void main(String[] args) {
    		int port = 9999;
    		new Thread(new TimeClientHandler("127.0.0.1", port)).start();
    	}
    }

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.SocketChannel;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class TimeClientHandler implements Runnable {
    	private int port;
    	private String host;
    	private Selector selector;
    	private SocketChannel channel;
    	private volatile boolean stop;
    
    	public TimeClientHandler(String host, int port) {
    		this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
    		this.port = port;
    		try {
    			selector = Selector.open();
    			channel = SocketChannel.open();
    			channel.configureBlocking(false);
    		} catch (IOException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		try {
    			doConnect();
    		} catch (IOException e1) {
    			e1.printStackTrace();
    			System.exit(1);
    		}
    		while (!stop) {
    			try {
    				// selector每一秒被唤醒一次
    				selector.select(1000);
    				// 还回就绪状态的chanel的 selectedKeys
    				Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    				Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
    				SelectionKey key = null;
    				while (iterator.hasNext()) {
    					key = iterator.next();
    					iterator.remove();
    					try {
    						handleInput(key);
    					} catch (Exception e) {
    						if (key != null) {
    							key.cancel();
    							if (key.channel() != null)
    								key.channel().close();
    						}
    					}
    				}
    			} catch (Exception e) {
    				e.printStackTrace();
    			}
    		}
    		if (selector != null) {
    			try {
    				selector.close();
    			} catch (IOException e) {
    				e.printStackTrace();
    			}
    			selector = null;
    		}
    	}
    
    	public void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
    		if (key.isValid()) {
    			SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    			if (key.isConnectable()) {
    				if (sc.finishConnect()) {
    					sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    					doWrite(sc);
    				} else {
    					System.exit(1);// 连接失败，进程退出
    				}
    			}
    			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("当前时间 : " + body);
    					this.stop = true;
    				} else if (readBytes < 0) { // 对端链路关闭
    					key.cancel();
    					sc.close();
    				} else
    					; // 读到0字节，忽略
    			}
    		}
    	}
    
    	private void doConnect() throws IOException {
    		if (channel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
    			channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    			doWrite(channel);
    		} else {
    			channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    		}
    	}
    
    	private void doWrite(SocketChannel schannel) throws IOException {
    		byte[] bytes = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
    		ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
    		buff.put(bytes);
    		buff.flip();
    		schannel.write(buff); // 判断是否发送完毕
    		if (!buff.hasRemaining()) {
    			System.out.println("发送成功!");
    		}
    	}
    }

1.首先初始化NIO的多路复用器和SocketChannel对象。需要注意的是创建SocketChannel之后，需要将其设置为异步非阻塞模式。

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2.doConnect()函数用于发送连接请求，首先对SocketChannel的connect()操作进行判断，如果成功则将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，注册SelectionKey.OP\_READ；如果没有没有成功则说明服务端没有返回TCP握手应答消息，但所以此时需要将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，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。

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3.在执行完doConnect()后，通过循环不断轮询多路复用器Selector。当有就绪的Channel时，执行handleInput()方法。

![70 9][]

4.首先对SelectionKey进行判断，判断其属于什么状态，如果处于连接则说明服务端已返回ACK应答消息。这时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；如果返回false或者抛出IOException说明连接失败。在这里返回值为true，说明连接成功。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，然后将请求消息给服务端。

![70 10][]

此时会调用doWrite()方法，这里构造消息体然后将其编码写入到发送缓冲区中，最后调用SocketChannel的write方法进行发送。

5.如果客户端接收到了服务端的应答消息，则SocketChannel是可读的，这里我分配1M进行读取应答消息，调用SocketChannel的read()方法进行异步读取操作。如果读取到了消息则对消息进行解码最后输出，然后将stop设为true，线程退出循环。

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6.线程退出循环后，需要对资源进行释放。

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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，不需要像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它不会同步等待，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：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制，这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降。因此它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

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