在Java中使用NIO進行網路編程

在JDK中，有一個非常有意思的庫：NIO（New I/O）。這個庫中有3個重要的類，分別是java.nio.channels中Selector和Channel，以及java.nio中的Buffer。

本篇文章我們首先瞭解一下為什麼需要NIO來進行網路編程，然後看看一步一步來講解如何在網路編程中使用NIO。

為什麼需要NIO

使用Java編寫過Socket程式的同學一定都知道Socket和SocketServer。當調用某個調用的時候，調用的地方就會阻塞，等待響應。這種方式對於小規模的程式非常方便，但是對於大型的程式就有點力不從心了，當有大量的串連的時候，我們可以為每一個串連建立一個線程來操作。但是這種做法帶來的缺陷也是顯而易見的：

1. 硬體能夠支援大量的並發。

2. 並發的數量始終有一個上限。

3. 各個線程之間的優先順序不好控制。

4. 各個Client之間的互動與同步困難。

我們也可以使用一個線程來處理所有的請求，使用不阻塞的IO，輪詢查詢所有的Client。這種做法同樣也有缺陷：無法迅速響應Client端，同時會消耗大量輪詢查詢的時間。

所以，我們需要一種poll的模式來處理這種情況，從大量的網路連接中找出來真正需要服務的Client。這正是NIO誕生的原因：提供一種Poll的模式，在所有的Client中找到需要服務的Client。

回到我們剛剛說到的3個最最重要的Class：java.nio.channels中Selector和Channel，以及java.nio中的Buffer。

Channel代表一個可以被用於Poll操作的對象（可以是檔案流也可以使網路流），Channel能夠被註冊到一個Selector中。通過調用Selector的select方法可以從所有的Channel中找到需要服務的執行個體（Accept，read ..）。Buffer對象提供讀寫資料的緩衝。相對於我們熟悉的Stream對象，Buffer提供更好的效能以及更好的編程透明性（人為控制緩衝的大小以及具體的操作）。

配合Buffer使用Channel

與傳統模式的編程不用，Channel不使用Stream，而是Buffer。我們來實現一個簡單的非阻塞Echo Client：

package com.cnblogs.gpcuster;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class TCPEchoClientNonblocking {
public static void main(String args[]) throws Exception {
if ((args.length < 2) || (args.length > 3))// Testforcorrect#ofargsthrow new IllegalArgumentException(
"Parameter(s): <Server> <Word> [<Port>]");
String server = args[0];// ServernameorIPaddress// ConvertinputStringtobytesusingthedefaultcharsetbyte[] argument = args[1].getBytes();
int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 7;
// CreatechannelandsettononblockingSocketChannel clntChan = SocketChannel.open();clntChan.configureBlocking(false);
// Initiateconnectiontoserverandrepeatedlypolluntilcompleteif (!clntChan.connect(new InetSocketAddress(server, servPort))) {
while (!clntChan.finishConnect()) {
System.out.print(".");// Dosomethingelse}}ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(argument);ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(argument.length);int totalBytesRcvd = 0;// Totalbytesreceivedsofarint bytesRcvd;// Bytesreceivedinlastreadwhile (totalBytesRcvd < argument.length) {
if (writeBuf.hasRemaining()) {
clntChan.write(writeBuf);
}
if ((bytesRcvd = clntChan.read(readBuf)) == -1) {
throw new SocketException("Connection closed prematurely");
}
totalBytesRcvd += bytesRcvd;
System.out.print(".");// Dosomethingelse}System.out.println("Received:" + // converttoStringperdefaultcharsetnew String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));
clntChan.close();
}
}

這段代碼使用ByteBuffer來儲存讀寫的資料。通過clntChan.configureBlocking(false); 設定後，其中的connect，read，write操作都不回阻塞，而是立刻放回結果。

使用Selector

 

 

Selector的可以從所有的被註冊到自己Channel中找到需要服務的執行個體。

我們來實現Echo Server。

首先，定義一個介面：

package com.cnblogs.gpcuster;

import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.io.IOException;

public interface TCPProtocol {
void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException;

void handleRead(SelectionKey key) throws IOException;

void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException;
}

我們的Echo Server將使用這個介面。然後我們實現Echo Server：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class TCPServerSelector {
private static final int BUFSIZE = 256;// Buffersize(bytes)private static final int TIMEOUT = 3000;// Waittimeout(milliseconds)public static void main(String[] args) throws IOException {
if (args.length < 1) {// Testforcorrect#ofargsthrow new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Port>...");
}
// CreateaselectortomultiplexlisteningsocketsandconnectionsSelector selector = Selector.open();// Createlisteningsocketchannelforeachportandregisterselectorfor (String arg : args) {
ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();
listnChannel.socket().bind(
new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));
listnChannel.configureBlocking(false);// mustbenonblockingtoregister// Registerselectorwithchannel.ThereturnedkeyisignoredlistnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);}// CreateahandlerthatwillimplementtheprotocolTCPProtocol protocol = new EchoSelectorProtocol(BUFSIZE);
while (true) {// Runforever,processingavailableI/Ooperations// Waitforsomechanneltobeready(ortimeout)if (selector.select(TIMEOUT) == 0) {// returns#ofreadychansSystem.out.print(".");
continue;
}
// GetiteratoronsetofkeyswithI/OtoprocessIterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();while (keyIter.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIter.next();// Keyisbitmask// Serversocketchannelhaspendingconnectionrequests?if (key.isAcceptable()) {
protocol.handleAccept(key);
}
// Clientsocketchannelhaspendingdata?if (key.isReadable()) {
protocol.handleRead(key);
}
// Clientsocketchannelisavailableforwritingand// keyisvalid(i.e.,channelnotclosed)?if (key.isValid() && key.isWritable()) {
protocol.handleWrite(key);
}
keyIter.remove();// removefromsetofselectedkeys}}}}

 

我們通過listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 註冊了一個我們感興趣的事件，然後調用selector.select(TIMEOUT)等待訂閱的時間發生，然後再採取相應的處理措施。

最後我們實現EchoSelectorProtocol

package com.cnblogs.gpcuster;

import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.io.IOException;

public class EchoSelectorProtocol implements TCPProtocol {
private int bufSize;// SizeofI/Obufferpublic EchoSelectorProtocol(int bufSize) {
this.bufSize = bufSize;
}

public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
clntChan.configureBlocking(false);// Mustbenonblockingtoregister// RegistertheselectorwithnewchannelforreadandattachbytebufferclntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));}public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
// ClientsocketchannelhaspendingdataSocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();long bytesRead = clntChan.read(buf);
if (bytesRead == -1) {// Didtheotherendclose?clntChan.close();} else if (bytesRead > 0) {
// Indicateviakeythatreading/writingarebothofinterestnow.key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);}}public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
/*
 * Channelisavailableforwriting,andkeyisvalid(i.e.,clientchannel
 * notclosed).
 */// RetrievedatareadearlierByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();buf.flip();// PreparebufferforwritingSocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();clntChan.write(buf);if (!buf.hasRemaining()) {// Buffercompletelywritten?// Nothingleft,sonolongerinterestedinwriteskey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);}buf.compact();// Makeroomformoredatatobereadin}}

在這裡，我們又進一步對Selector註冊了相關的事件：key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

這樣，我們就實現了基於NIO的Echo 系統。

參考

《TCP.IP.Sockets.in.Java.2nd.Edition》