Java NIO深入理解ServerSocketChannel

masturbator 發(fā)布于2019-08-16 18:27 / 3514人閱讀

摘要：組件主要有三大核心部分通道，緩沖區(qū)選擇器。選擇區(qū)用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件比如連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)。即用選擇器，借助單一線程，就可對(duì)數(shù)量龐大的活動(dòng)通道實(shí)施監(jiān)控和維護(hù)。

Java NIO 簡(jiǎn)介
JAVA NIO有兩種解釋：一種叫非阻塞IO（Non-blocking I/O），另一種也叫新的IO（New I/O），其實(shí)是同一個(gè)概念。它是一種同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路復(fù)用的基礎(chǔ)，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到大型應(yīng)用服務(wù)器，成為解決高并發(fā)與大量連接、I/O處理問題的有效方式。

NIO是一種基于通道和緩沖區(qū)的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存（區(qū)別于JVM的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)），然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在java堆里面的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的直接引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場(chǎng)景顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

Java NIO組件
NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩沖區(qū)), Selector（選擇器）。傳統(tǒng)IO是基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作（基于流），而NIO基于Channel和Buffer(緩沖區(qū))進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。Selector(選擇區(qū))用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個(gè)線程可以監(jiān)聽多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

Buffer
Buffer（緩沖區(qū)）是一個(gè)用于存儲(chǔ)特定基本類型數(shù)據(jù)的容器。除了boolean外，其余每種基本類型都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的buffer類。Buffer類的子類有ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer 。

Channel
Channel（通道）表示到實(shí)體，如硬件設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò)套接字或可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)不同 I/O 操作（如讀取或?qū)懭耄┑某绦蚪M件的開放的連接。Channel接口的常用實(shí)現(xiàn)類有FileChannel（對(duì)應(yīng)文件IO）、DatagramChannel（對(duì)應(yīng)UDP）、SocketChannel和ServerSocketChannel（對(duì)應(yīng)TCP的客戶端和服務(wù)器端）。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一個(gè)等級(jí)的。只不過Stream是單向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是雙向的，既可以用來進(jìn)行讀操作，又可以用來進(jìn)行寫操作。

Selector
Selector（選擇器）用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個(gè)的線程可以監(jiān)聽多個(gè)數(shù)據(jù)通道。即用選擇器，借助單一線程，就可對(duì)數(shù)量龐大的活動(dòng)I/O通道實(shí)施監(jiān)控和維護(hù)。

Java NIO的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

public class Demo1 {

    private static Integer port = 8080;

    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;

    private static ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(1, 10, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedTransferQueue<>(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 創(chuàng)建通道ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel open = ServerSocketChannel.open();

            // 將通道設(shè)置為非阻塞
            open.configureBlocking(false);

            // 綁定到指定的端口上
            open.bind(new InetSocketAddress(port));

            // 通道管理器(Selector)
            selector = Selector.open();

            /**
             * 將通道(Channel)注冊(cè)到通道管理器(Selector)，并為該通道注冊(cè)selectionKey.OP_ACCEPT事件
             * 注冊(cè)該事件后，當(dāng)事件到達(dá)的時(shí)候，selector.select()會(huì)返回，
             * 如果事件沒有到達(dá)selector.select()會(huì)一直阻塞。
             */
            open.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            // 循環(huán)處理
            while (true) {
                /**
                 * 當(dāng)注冊(cè)事件到達(dá)時(shí)，方法返回，否則該方法會(huì)一直阻塞
                 * 該Selector的select()方法將會(huì)返回大于0的整數(shù)，該整數(shù)值就表示該Selector上有多少個(gè)Channel具有可用的IO操作
                 */
                int select = selector.select();
                System.out.println("當(dāng)前有 " + select + " 個(gè)channel可以操作");

                // 一個(gè)SelectionKey對(duì)應(yīng)一個(gè)就緒的通道
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    // 獲取事件
                    SelectionKey key = iterator.next();

                    // 移除事件，避免重復(fù)處理
                    iterator.remove();

                    // 客戶端請(qǐng)求連接事件，接受客戶端連接就緒
                    if (key.isAcceptable()) {
                        accept(key);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        // 監(jiān)聽到讀事件，對(duì)讀事件進(jìn)行處理
                        threadPoolExecutor.submit(new NioServerHandler(key));
                    }
                }

            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 處理客戶端連接成功事件
     *
     * @param key
     */
    public static void accept(SelectionKey key) {
        try {
            // 獲取客戶端連接通道
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            sc.configureBlocking(false);

            // 給通道設(shè)置讀事件，客戶端監(jiān)聽到讀事件后，進(jìn)行讀取操作
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            System.out.println("accept a client : " + sc.socket().getInetAddress().getHostName());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 監(jiān)聽到讀事件，讀取客戶端發(fā)送過來的消息
     */
    public static class NioServerHandler implements Runnable {

        private SelectionKey selectionKey;

        public NioServerHandler(SelectionKey selectionKey) {
            this.selectionKey = selectionKey;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (selectionKey.isReadable()) {
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    // 從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                    // 輸出客戶端發(fā)送過來的消息
                    socketChannel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    System.out.println("收到客戶端" + socketChannel.socket().getInetAddress().getHostName() + "的數(shù)據(jù)：" + new String(buffer.array()));

                    //將數(shù)據(jù)添加到key中
                    ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer.array());

                    // 將消息回送給客戶端
                    socketChannel.write(outBuffer);
                    selectionKey.cancel();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}