Java NIO使用及原理分析（4） 来自网上资料整理

在上一篇文章中介绍了关于缓冲 区的一些细节内容，现在终于可以进入NIO中最有意思的部分非阻塞I/O。通常在进行同步I/O操作时，如果读取数据，代码会阻塞直至有 可供读取的数据。同样，写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR（Thread per Request）,服务器会为每个客户端请求建立一个线程，由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增，大量的线程会 增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这由带来了新的问题，如果线程池中有200个线程， 而有200个用户都在进行大文件下载，会导致第201个用户的请求无法及时处理，即便第201个用户只想请求一个几KB大小的页面。传统的 Server/Client模式如下图所示：

NIO中非阻塞I/O采用了基 于Reactor模式的工作方式，I/O调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特定I/O事件，如可读数据到达，新的套接字连接等等，在发生特定事件时，系 统再通知我们。NIO中实现非阻塞I/O的核心对象就是Selector，Selector就是注册各种I/O事件地 方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件，如下图所示：

从图中可以看出，当有读 或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector中获得相应的SelectionKey，同时从 SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。关于 SelectableChannel的可以参考Java NIO使用及原理分析（一）

使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序，大体上可以分为下面三个步骤：

1. 向Selector对象注册感兴趣的事件
2. 从Selector中获取感兴趣的事件
3. 根据不同的事件进行相应的处理

接下来我们用一个简单的示例来说明整个过程。首先是向Selector对象注册感兴趣的事件：

 

    /* 
     * 注册事件 
     * */  
    protected Selector getSelector() throws IOException {  
        // 创建Selector对象  
        Selector sel = Selector.open();  
          
        // 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式  
        ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();  
        server.configureBlocking(false);  
          
        // 绑定通道到指定端口  
        ServerSocket socket = server.socket();  
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);  
        socket.bind(address);  
          
        // 向Selector中注册感兴趣的事件  
        server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);   
        return sel;  
    }  

 

 

 

创 建了ServerSocketChannel对象，并调用configureBlocking()方法，配置为非阻塞模式，接下来的三行代码把该通道绑定 到指定端口，最后向Selector中注册事件，此处指定的是参数是OP_ACCEPT，即指定我们想要监听accept事件，也就是新的连接发 生时所产生的事件，对于ServerSocketChannel通道来说，我们唯一可以指定的参数就是OP_ACCEPT。

 

从Selector中获取感兴趣的事件，即开始监听，进入内部循环：

 

/* 
 * 开始监听 
 * */   
public void listen(Selector selector) {   
    System.out.println("listen on " + port);  
    try {   
        while(true) {   
            // 该调用会阻塞，直到至少有一个事件发生  
            selector.select();   
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
            Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();  
            while (iter.hasNext()) {   
                SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();   
                iter.remove();   
                process(key);   
            }   
        }   
    } catch (IOException e) {   
        e.printStackTrace();  
    }   
} 

 

 

 

在非阻塞I/O中，内部循环模式基本都是遵循这种方式。首先调用select()方法，该方法会阻塞，直到至少有一个事件发生，然后再使用selectedKeys()方法获取发生事件的SelectionKey，再使用迭代器进行循环。

最后一步就是根据不同的事件，编写相应的处理代码：

 

/* 
 * 根据不同的事件做处理 
 * */  
private CharsetDecoder decoder;//解码器
private CharsetEncoder encoder;//编码器
protected void process(SelectionKey key) throws IOException{  
    // 接收请求  
    if (key.isAcceptable()) {  
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();  
        SocketChannel channel = server.accept();  
        channel.configureBlocking(false);  
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
    }  
    // 读信息  
    else if (key.isReadable()) {  
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
        int count = channel.read(buffer);   
        if (count > 0) {   
            buffer.flip();   
            CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);   
            name = charBuffer.toString();   
            SelectionKey sKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);   
            sKey.attach(name);   
        } else {   
            channel.close();   
        }   
        buffer.clear();   
    }  
    // 写事件  
    else if (key.isWritable()) {  
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();   
        String name = (String) key.attachment();   
          
        ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));   
        if(block != null)  
        {  
            channel.write(block);  
        }  
        else  
        {  
            channel.close();  
        }  
  
     }  
} 

 

 

另外招来的资料

package com.vista.Server;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
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.LinkedList;
import java.util.Set;

public class SelectorServer 
{
    private static int DEFAULT_SERVERPORT = 6018;//默认端口
    private static int DEFAULT_BUFFERSIZE = 1024;//默认缓冲区大小为1024字节
    private ServerSocketChannel channel;
    private LinkedList<SocketChannel> clients;
    private Selector readSelector;
    private ByteBuffer buffer;//字节缓冲区
    private int port;
    
    public SelectorServer(int port) throws IOException
    {
        this.port = port;
        this.clients = new LinkedList<SocketChannel>();
        this.channel = null;
        this.readSelector = Selector.open();//打开选择器
        this.buffer = ByteBuffer.allocate(DEFAULT_BUFFERSIZE);
    }
     // 服务器程序在服务循环中调用sericeClients()方法为已接受的客户服务
    public void serviceClients()throws IOException
    {
        Set keys;
        Iterator it;
        SelectionKey key;
        SocketChannel client;
        // 在readSelector上调用select()方法，参数1代表如果调用select的时候 那么阻塞最多1秒钟等待可用的客户端连接
        if(readSelector.select(1) > 0)
        {
            keys = readSelector.selectedKeys(); // 取得代表端通道的键集合
            it = keys.iterator();
           // 遍历，为每一个客户服务 
            while(it.hasNext()) 
            {
               key = (SelectionKey)it.next();
               if(key.isReadable())
               { // 如果通道可读，那么读此通道到buffer中
                  int bytes;
                  client = (SocketChannel)key.channel();// 取得键对应的通道
                  buffer.clear(); // 清空缓冲区中的内容，设置好position,limit，准备接受数据
                  bytes = client.read(buffer); // 从通道中读数据到缓冲中，返回读取得字节数
                  if(bytes >= 0) 
                  {
                     buffer.flip(); // 准备将缓冲中的数据写回到通道中
                     client.write(buffer);  // 数据写回到通道中
                  } 
                  else if(bytes < 0) 
                  { // 如果返回小于零的值代表读到了流的末尾
                     clients.remove(client);
                  // 通道关闭时，选择键也被取消
                     client.close();
                  }
               }
            }
         }
    }
    
    public void registerClient(SocketChannel client) throws IOException
    {// 配置和注册代表客户连接的通道对象
        client.configureBlocking(false);  // 设置此通道使用非阻塞模式    
        client.register(readSelector, SelectionKey.OP_READ); // 将这个通道注册到选择器上
        clients.add(client); //保存这个通道对象
    }
    public void listen() throws IOException
    { //服务器开始监听端口，提供服务
        ServerSocket socket;
        SocketChannel client;
        channel = ServerSocketChannel.open(); // 打开通道
        socket = channel.socket();   //得到与通到相关的socket对象
        socket.bind(new InetSocketAddress(port), 10);   //将scoket榜定在制定的端口上
        //配置通到使用非阻塞模式，在非阻塞模式下，可以编写多道程序同时避免使用复杂的多线程
        channel.configureBlocking(false);    
        try 
        {
            while(true) 
            {//     与通常的程序不同，这里使用channel.accpet()接受客户端连接请求，而不是在socket对象上调用accept(),这里在调用accept()方法时如果通道配置为非阻塞模式,那么accept()方法立即返回null，并不阻塞
                client = channel.accept();    
                if(client != null)
                {
                    registerClient(client); // 注册客户信息
                }
                serviceClients();  // 为以连接的客户服务
            }
        } 
        finally 
        {
            socket.close(); // 关闭socket，关闭socket会同时关闭与此socket关联的通道
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException 
    {
        System.out.println("服务器启动");
        SelectorServer server = new SelectorServer(SelectorServer.DEFAULT_SERVERPORT);
        server.listen(); //服务器开始监听端口，提供服务

        
    }

}

package com.vista.Server;

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Set;

public class SelectorServer 
{
    private static int DEFAULT_SERVERPORT = 6018;//默认端口
    private static int DEFAULT_BUFFERSIZE = 1024;//默认缓冲区大小为1024字节
    private static String DEFAULT_CHARSET = "GB2312";//默认码集
    private static String DEFAULT_FILENAME = "bigfile.dat";
    private ServerSocketChannel channel;
    private LinkedList<SocketChannel> clients;
    private Selector selector;//选择器
    private ByteBuffer buffer;//字节缓冲区
    private int port;
    private Charset charset;//字符集
    private CharsetDecoder decoder;//解码器
    
    
    public SelectorServer(int port) throws IOException
    {
        this.port = port;
        this.clients = new LinkedList<SocketChannel>();
        this.channel = null;
        this.selector = Selector.open();//打开选择器
        this.buffer = ByteBuffer.allocate(DEFAULT_BUFFERSIZE);
        this.charset = Charset.forName(DEFAULT_CHARSET);
        this.decoder = this.charset.newDecoder();
        
    }
    
     private class HandleClient 
     {
         private String strGreeting = "welcome to VistaQQ";
         public HandleClient() throws IOException 
         {
         }
         public String readBlock() 
         {//读块数据
             return this.strGreeting;
         }
         public void close() 
         {
             
         }
    }

    protected void handleKey(SelectionKey key) throws IOException
    {//处理事件
          if (key.isAcceptable()) 
          { // 接收请求
              ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();//取出对应的服务器通道
              SocketChannel channel = server.accept();
              channel.configureBlocking(false);
              channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//客户socket通道注册读操作
          }
          else if (key.isReadable()) 
          { // 读信息
              SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
              int count = channel.read(this.buffer);
              if (count > 0) 
              {
                this.buffer.flip();
                CharBuffer charBuffer = decoder.decode(this.buffer);
                System.out.println("Client >>" + charBuffer.toString());
                SelectionKey wKey = channel.register(selector,
                    SelectionKey.OP_WRITE);//为客户sockt通道注册写操作
                wKey.attach(new HandleClient());
              } 
              else
              {//客户已经断开
                channel.close();
              }
              this.buffer.clear();//清空缓冲区
         }
         else if (key.isWritable()) 
         { // 写事件
              SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
              HandleClient handle = (HandleClient) key.attachment();//取出处理者
              ByteBuffer block = ByteBuffer.wrap(handle.readBlock().getBytes());
              channel.write(block);
             // channel.socket().getInputStream().(block);
//              PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(
//                        channel.socket().getOutputStream())), true);
//              out.write(block.toString());

        }

    }
    public void listen() throws IOException
    { //服务器开始监听端口，提供服务
        ServerSocket socket;
        channel = ServerSocketChannel.open(); // 打开通道
        socket = channel.socket();   //得到与通到相关的socket对象
        socket.bind(new InetSocketAddress(port));   //将scoket榜定在制定的端口上
        //配置通到使用非阻塞模式，在非阻塞模式下，可以编写多道程序同时避免使用复杂的多线程
        channel.configureBlocking(false);    
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        try 
        {
            while(true) 
            {//     与通常的程序不同，这里使用channel.accpet()接受客户端连接请求，而不是在socket对象上调用accept(),这里在调用accept()方法时如果通道配置为非阻塞模式,那么accept()方法立即返回null，并不阻塞
                this.selector.select();
                Iterator iter = this.selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext())
                {
                    SelectionKey key = (SelectionKey)iter.next();
                    iter.remove();
                    this.handleKey(key);
                    
                }
            }
        } 
        catch(IOException ex)
        {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException 
    {
        System.out.println("服务器启动");
        SelectorServer server = new SelectorServer(SelectorServer.DEFAULT_SERVERPORT);
        server.listen(); //服务器开始监听端口，提供服务
    }

}

此处分别判断是接受请求、读数据还是写事件，分别作不同的处理。

 

到这里关于Java NIO使用及原理分析的四篇文章就全部完成了。Java NIO提供了通道、缓冲区、选择器这样一组抽象概念，极大的简化了我们编写高性能并发型服务器程序，后面有机会我会继续谈谈使用Java NIO的一些想法。