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
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17package 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
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149import 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。
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23public 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
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140import 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
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18import 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
