Netty-07-通讯模型之 NIO

NIO 编程

JDK 1.4中的java.nio.*包中引入新的Java I/O库，其目的是提高速度。

实际上，“旧”的I/O包已经使用NIO重新实现过，即使我们不显式的使用NIO编程，也能从中受益。

速度的提高在文件I/O和网络I/O中都可能会发生，但本文只讨论后者。

我个人比较倾向于 non-blocking 这种称呼。

简介

NIO我们一般认为是New I/O（也是官方的叫法），因为它是相对于老的I/O类库新增的（其实在JDK 1.4中就已经被引入了，但这个名词还会继续用很久，即使它们在现在看来已经是“旧”的了，所以也提示我们在命名时，需要好好考虑），做了很大的改变。

但民间跟多人称之为Non-block I/O，即非阻塞I/O，因为这样叫，更能体现它的特点。而下文中的NIO，不是指整个新的I/O库，而是非阻塞I/O。

NIO提供了与传统BIO模型中的Socket和ServerSocket相对应的SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

新增的着两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。

缓冲区 Buffer

Buffer是一个对象，包含一些要写入或者读出的数据。

在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。

具体的缓存区有这些：ByteBuffer、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。

通道 Channel

我们对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。

底层的操作系统的通道一般都是全双工的，所以全双工的Channel比流能更好的映射底层操作系统的API。

Channel主要分两大类：

SelectableChannel：用户网络读写

FileChannel：用于文件操作

后面代码会涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类

多路复用器 Selector

Selector 是 Java NIO 编程的基础。

Selector提供选择已经就绪的任务的能力：Selector会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。

一个Selector可以同时轮询多个Channel，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048的限制。

所以，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。

NIO 版本的 CS 实现

代码比传统的Socket编程看起来要复杂不少。

直接贴代码吧，以注释的形式给出代码说明。

服务器

package com.anxpp.io.calculator.nio;
public class Server {
	private static int DEFAULT_PORT = 12345;
	private static ServerHandle serverHandle;
	public static void start(){
		start(DEFAULT_PORT);
	}
	public static synchronized void start(int port){
		if(serverHandle!=null)
			serverHandle.stop();
		serverHandle = new ServerHandle(port);
		new Thread(serverHandle,"Server").start();
	}
	public static void main(String[] args){
		start();
	}
}

• ServerHandle

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;
 
/**
 * NIO服务端
 * @author yangtao__anxpp.com
 * @version 1.0
 */
public class ServerHandle implements Runnable{
	private Selector selector;
	private ServerSocketChannel serverChannel;
	private volatile boolean started;
	/**
	 * 构造方法
	 * @param port 指定要监听的端口号
	 */
	public ServerHandle(int port) {
		try{
			//创建选择器
			selector = Selector.open();
			//打开监听通道
			serverChannel = ServerSocketChannel.open();
			//如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
			serverChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
			//绑定端口 backlog设为1024
			serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
			//监听客户端连接请求
			serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
			//标记服务器已开启
			started = true;
			System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
		}catch(IOException e){
			e.printStackTrace();
			System.exit(1);
		}
	}
	public void stop(){
		started = false;
	}
	@Override
	public void run() {
		//循环遍历selector
		while(started){
			try{
				//无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
				selector.select(1000);
				//阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
//				selector.select();
				Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
				Iterator<SelectionKey> it = keys.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(Throwable t){
				t.printStackTrace();
			}
		}
		//selector关闭后会自动释放里面管理的资源
		if(selector != null)
			try{
				selector.close();
			}catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
	}
	private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
		if(key.isValid()){
			//处理新接入的请求消息
			if(key.isAcceptable()){
				ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
				//通过ServerSocketChannel的accept创建SocketChannel实例
				//完成该操作意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式建立
				SocketChannel sc = ssc.accept();
				//设置为非阻塞的
				sc.configureBlocking(false);
				//注册为读
				sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
			}
			//读消息
			if(key.isReadable()){
				SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
				//创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
				ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
				//读取请求码流，返回读取到的字节数
				int readBytes = sc.read(buffer);
				//读取到字节，对字节进行编解码
				if(readBytes>0){
					//将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
					buffer.flip();
					//根据缓冲区可读字节数创建字节数组
					byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
					//将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
					buffer.get(bytes);
					String expression = new String(bytes,"UTF-8");
					System.out.println("服务器收到消息：" + expression);
					//处理数据
					String result = null;
					try{
						result = "计算结果";
					}catch(Exception e){
						result = "计算错误：" + e.getMessage();
					}
					//发送应答消息
					doWrite(sc,result);
				}
				//没有读取到字节 忽略
//				else if(readBytes==0);
				//链路已经关闭，释放资源
				else if(readBytes<0){
					key.cancel();
					sc.close();
				}
			}
		}
	}
	//异步发送应答消息
	private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws IOException{
		//将消息编码为字节数组
		byte[] bytes = response.getBytes();
		//根据数组容量创建ByteBuffer
		ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
		//将字节数组复制到缓冲区
		writeBuffer.put(bytes);
		//flip操作
		writeBuffer.flip();
		//发送缓冲区的字节数组
		channel.write(writeBuffer);
		//****此处不含处理“写半包”的代码
	}
}

步骤

可以看到，创建NIO服务端的主要步骤如下：

• 打开ServerSocketChannel，监听客户端连接

• 绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式

• 创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程

• 将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的Selector上，监听ACCEPT事件

• Selector轮询准备就绪的key

• Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路

• 设置客户端链路为非阻塞模式

• 将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息

• 异步读取客户端消息到缓冲区

• 对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task

• 将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端

因为应答消息的发送，SocketChannel也是异步非阻塞的，所以不能保证一次能吧需要发送的数据发送完，此时就会出现写半包的问题。

我们需要注册写操作，不断轮询Selector将没有发送完的消息发送完毕，然后通过Buffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。

客户端

public class Client {
	private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";
	private static int DEFAULT_PORT = 12345;
	private static ClientHandle clientHandle;
	public static void start(){
		start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);
	}
	public static synchronized void start(String ip,int port){
		if(clientHandle!=null)
			clientHandle.stop();
		clientHandle = new ClientHandle(ip,port);
		new Thread(clientHandle,"Server").start();
	}
	//向服务器发送消息
	public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{
		if(msg.equals("q")) return false;
		clientHandle.sendMsg(msg);
		return true;
	}
	public static void main(String[] args){
		start();
	}
}

• ClientHandle

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;
/**
 * NIO客户端
 * @version 1.0
 */
public class ClientHandle implements Runnable{
	private String host;
	private int port;
	private Selector selector;
	private SocketChannel socketChannel;
	private volatile boolean started;
 
	public ClientHandle(String ip,int port) {
		this.host = ip;
		this.port = port;
		try{
			//创建选择器
			selector = Selector.open();
			//打开监听通道
			socketChannel = SocketChannel.open();
			//如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
			socketChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
			started = true;
		}catch(IOException e){
			e.printStackTrace();
			System.exit(1);
		}
	}
	public void stop(){
		started = false;
	}
	@Override
	public void run() {
		try{
			doConnect();
		}catch(IOException e){
			e.printStackTrace();
			System.exit(1);
		}
		//循环遍历selector
		while(started){
			try{
				//无论是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次
				selector.select(1000);
				//阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
//				selector.select();
				Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
				Iterator<SelectionKey> it = keys.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(Exception e){
				e.printStackTrace();
				System.exit(1);
			}
		}
		//selector关闭后会自动释放里面管理的资源
		if(selector != null)
			try{
				selector.close();
			}catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
	}
	private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
		if(key.isValid()){
			SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
			if(key.isConnectable()){
				if(sc.finishConnect());
				else System.exit(1);
			}
			//读消息
			if(key.isReadable()){
				//创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区
				ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
				//读取请求码流，返回读取到的字节数
				int readBytes = sc.read(buffer);
				//读取到字节，对字节进行编解码
				if(readBytes>0){
					//将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操作
					buffer.flip();
					//根据缓冲区可读字节数创建字节数组
					byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
					//将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中
					buffer.get(bytes);
					String result = new String(bytes,"UTF-8");
					System.out.println("客户端收到消息：" + result);
				}
				//没有读取到字节 忽略
//				else if(readBytes==0);
				//链路已经关闭，释放资源
				else if(readBytes<0){
					key.cancel();
					sc.close();
				}
			}
		}
	}
	//异步发送消息
	private void doWrite(SocketChannel channel,String request) throws IOException{
		//将消息编码为字节数组
		byte[] bytes = request.getBytes();
		//根据数组容量创建ByteBuffer
		ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
		//将字节数组复制到缓冲区
		writeBuffer.put(bytes);
		//flip操作
		writeBuffer.flip();
		//发送缓冲区的字节数组
		channel.write(writeBuffer);
		//****此处不含处理“写半包”的代码
	}
	private void doConnect() throws IOException{
		if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port)));
		else socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
	}
	public void sendMsg(String msg) throws Exception{
		socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		doWrite(socketChannel, msg);
	}
}

演示代码

import java.util.Scanner;
/**
 * 测试方法
 * @version 1.0
 */
public class Test {
	//测试主方法
	@SuppressWarnings("resource")
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		//运行服务器
		Server.start();
		//避免客户端先于服务器启动前执行代码
		Thread.sleep(100);
		//运行客户端 
		Client.start();
		while(Client.sendMsg(new Scanner(System.in).nextLine()));
	}
}

个人感受

nio 虽然性能优异，但是编程变得非常复杂，所以 netty(mina) 这种框架应用而生。

本质还是对 nio 的封装。

参考资料

https://blog.csdn.net/anxpp/article/details/51512200

• NIO 编程
• 简介
  • 缓冲区 Buffer
  • 通道 Channel
  • 多路复用器 Selector
• NIO 版本的 CS 实现
  • 服务器
    • 步骤
  • 客户端
  • 演示代码
• 个人感受
• 参考资料