Java网络服务器编程(NIO版)

从Java 1.4开始提供的NIO API常用于开发高性能网络服务器，本文演示了如何用这个API开发一个TCP Echo Server。

Java网络服务器编程一文演示了如何使用Java的Socket API编写一个简单的TCP Echo Server。其阻塞式IO的处理方式虽然简单，但每个客户端都需要一个单独的Thread来处理，当服务器需要同时处理大量客户端时，这种做法不再可行。使用NIO API可以让一个或有限的几个Thread同时处理连接到服务器上的所有客户端。（关于NIO API的一些介绍，可以在Java NIO API详解一文中找到。）

NIO API允许一个线程通过Selector对象同时监控多个SelectableChannel来处理多路IO，NIO应用程序一般按下图所示工作：



Figure 1

如Figure 1 所示，Client一直在循环地进行select操作，每次select()返回以后，通过selectedKeys()可以得到需要处理的SelectableChannel并对其一一处理。

这样做虽然简单但也有个问题，当有不同类型的SelectableChannel需要做不同的IO处理时，在图中Client的代码就需要判断channel的类型然后再作相应的操作，这往往意味着一连串的if else。更糟糕的是，每增加一种新的channel，不但需要增加相应的处理代码，还需要对这一串if else进行维护。（在本文的这个例子中，我们有ServerSocketChannel和SocketChannel这两种channel需要分别被处理。）

如果考虑将channel及其需要的IO处理进行封装，抽象出一个统一的接口，就可以解决这一问题。在Listing 1中的NioSession就是这个接口。

NioSession的channel()方法返回其封装的SelectableChannel对象，interestOps()返回用于这个channel注册的interestOps。registered()是当SelectableChannel被注册后调用的回调函数，通过这个回调函数，NioSession可以得到channel注册后的SelectionKey。process()函数则是NioSession接口的核心，这个方法抽象了封装的SelectableChannel所需的IO处理逻辑。

Listing 1:

public interface NioSession { 　 public SelectableChannel channel(); public int interestOps(); public void registered(SelectionKey key); public void process(); }

和NioSession一起工作的是NioWorker这个类（Listing 2），它是NioSession的调用者，封装了一个Selector对象和Figure 1中循环select操作的逻辑。理解这个类可以帮助我们了解该如何使用NioSession这个接口。

NioWorker实现了Runnable接口，循环select操作的逻辑就在run()方法中。在NioWorker ? NioSession这个框架中，NioSession在channel注册的时候会被作为attachment送入register函数，这样，在每次select()操作的循环中，对于selectedKeys()中的每一个SelectionKey，我们都可以通过attachment拿到其相对应的NioSession然后调用其process()方法。

每次select()循环还有一个任务，就是将通过add()方法加入到这个NioWorker的NioSession注册到Selector上。在Listing 2的代码中可以看出，NioSession中的channel()被取出并注册在Selector上，注册所需的interestOps从NioSession中取出，NioSession本身则作为attachment送入register()函数。注册成功后，NioSession的registered()回调函数会被调用。

NioWorker的add()方法的作用是将一个NioSession加入到该NioWorker中，并wakeup当前的select操作，这样在下一次的select()调用之前，这个NioSession会被注册。stop()方法则是让一个正在run()的NioWorker停止。closeAllChannels()会关闭当前注册的所有channel，这个方法可在NioWorker不再使用时用来释放IO资源。

Listing 2:

public class NioWorker implements Runnable { public NioWorker(Selector sel) { _sel = sel; _added = new HashSet(); } public void run() { try { try { while (_run) { _sel.select(); Set selected = _sel.selectedKeys(); for (Iterator itr = selected.iterator(); itr.hasNext();) { SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next(); NioSession s = (NioSession) key.attachment(); s.process(); itr.remove(); } synchronized (_added) { for (Iterator itr = _added.iterator(); itr.hasNext();) { NioSession s = (NioSession) itr.next(); SelectionKey key = s.channel().register(_sel, s.interestOps(), s); s.registered(key); itr.remove(); } } } } finally { _sel.close(); } } catch (IOException ex) { throw new Error(ex); } } public void add(NioSession s) { synchronized (_added) { _added.add(s); } _sel.wakeup(); } public synchronized void stop() { _run = false; _sel.wakeup(); } public void closeAllChannels() { for (Iterator itr = _sel.keys().iterator(); itr.hasNext();) { SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next(); try { key.channel().close(); } catch (IOException ex) {} } } protected Selector _sel = null; protected Collection _added = null; protected volatile boolean _run = true; }

在Echo Server这个例子中，我们需要一个ServerSocketChannel来接受新的TCP连接，对于每个TCP连接，我们还需要一个SocketChannel来处理这个TCP连接上的IO操作。把这两种channel和上面的NioWorker ? NioSession结构整合在一起，可以得到NioServerSession和NioEchoSession这两个类，它们分别封装了ServerSocketChannel和SocketChannel及其对应的IO操作。下面这个UML类图描述了这4个类的关系：



Figure 2

可以看到NioWorker和NioSession对新加入的两个类没有任何依赖性，NioServerSession和NioEchoSession通过实现NioSession这个接口为系统加入了新的功能。这样的一个体系架构符合了Open-Close原则，新的功能可以通过实现NioSession被加入而无需对原有的模块进行修改，这体现了面向对象设计的强大威力。

NioServerSession的实现(Listing 3)相对比较简单，其封装了一个ServerSocketChannel以及从这个channel上接受新的TCP连接的逻辑。NioServerSession还需要一个NioWorker的引用，这样每接受一个新的TCP连接，NioServerSession就为其创建一个NioEchoSession的对象，并将这个对象加入到NioWorker中。

Listing 3:

public class NioServerSession implements NioSession { public NioServerSession(ServerSocketChannel channel, NioWorker worker) { _channel = channel; _worker = worker; } public void registered(SelectionKey key) {} public void process() { try { SocketChannel c = _channel.accept(); if (c != null) { c.configureBlocking(false); NioEchoSession s = new NioEchoSession(c); _worker.add(s); } } catch (IOException ex) { throw new Error(ex); } } public SelectableChannel channel() { return _channel; } public int interestOps(){ return SelectionKey.OP_ACCEPT; } protected ServerSocketChannel _channel; protected NioWorker _worker; }

NioEchoSession的行为要复杂一些，NioEchoSession会先从TCP连接中读取数据，再将这些数据用同一个连接写回去，并重复这个步骤直到客户端把连接关闭为止。我们可以把“Reading”和“Writing”看作NioEchoSession的两个状态，这样可以用一个有限状态机来描述它的行为，如下图所示：



Figure 3

接下来的工作就是如何实现这个有限状态机了。在这个例子中，我们使用State模式来实现它。下面这张UML类图描述了NioEchoSession的设计细节。



Figure 4

NioEchoSession所处的状态由EchoState这个抽象类来表现，其两个子类分别对应了“Reading”和“Writing”这两个状态。NioEchoSession会将process()和interestOps()这两个方法delegate给EchoState来处理，这样，当NioEchoSession处于不同的状态时，就会有不同的行为。

Listing 4是EchoState的实现。EchoState定义了process()和interestOps()这两个抽象的方法来让子类实现。NioEchoSession中的process()方法会被delegate到其当前EchoState的process()方法，NioEchoSession本身也会作为一个描述context的参数被送入EchoState的process()方法中。EchoState定义的interestOps()方法则会在NioEchoSession注册和转变State的时候被用到。

EchoState还定义了两个静态的方法来返回预先创建好的ReadState和WriteState，这样做的好处是可以避免在NioEchoSession转换state的时候创建一些不必要的对象从而影响性能。然而，这样做要求state类必须是无状态的，状态需要保存在context类，也就是NioEchoSession中。