在Java中使用NIO进行网络编程

在JDK中，有一个非常有意思的库：NIO（New I/O）。这个库中有3个重要的类，分别是java.nio.channels中Selector和Channel，以及java.nio中的Buffer。

本篇文章我们首先了解一下为什么需要NIO来进行网络编程，然后看看一步一步来讲解如何在网络编程中使用NIO。

为什么需要NIO

使用Java编写过Socket程序的同学一定都知道Socket和SocketServer。当调用某个调用的时候，调用的地方就会阻塞，等待响应。这种方式对于小规模的程序非常方便，但是对于大型的程序就有点力不从心了，当有大量的连接的时候，我们可以为每一个连接建立一个线程来操作。但是这种做法带来的缺陷也是显而易见的：

硬件能够支持大量的并发。

并发的数量始终有一个上限。

各个线程之间的优先级不好控制。

各个Client之间的交互与同步困难。

我们也可以使用一个线程来处理所有的请求，使用不阻塞的IO，轮询查询所有的Client。这种做法同样也有缺陷：无法迅速响应Client端，同时会消耗大量轮询查询的时间。

所以，我们需要一种poll的模式来处理这种情况，从大量的网络连接中找出来真正需要服务的Client。这正是NIO诞生的原因：提供一种Poll的模式，在所有的Client中找到需要服务的Client。

回到我们刚刚说到的3个最最重要的Class：java.nio.channels中Selector和Channel，以及java.nio中的Buffer。

Channel代表一个可以被用于Poll操作的对象（可以是文件流也可以使网络流），Channel能够被注册到一个Selector中。通过调用Selector的select方法可以从所有的Channel中找到需要服务的实例（Accept，read ..）。Buffer对象提供读写数据的缓存。相对于我们熟悉的Stream对象，Buffer提供更好的性能以及更好的编程透明性（人为控制缓存的大小以及具体的操作）。

配合Buffer使用Channel

与传统模式的编程不用，Channel不使用Stream，而是Buffer。我们来实现一个简单的非阻塞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#ofargs
throw new IllegalArgumentException(
"Parameter(s): <Server> <Word> [<Port>]");
String server = args[0];// ServernameorIPaddress
// ConvertinputStringtobytesusingthedefaultcharset
byte[] argument = args[1].getBytes();
int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 7;
// Createchannelandsettononblocking
SocketChannel clntChan = SocketChannel.open();
clntChan.configureBlocking(false);
// Initiateconnectiontoserverandrepeatedlypolluntilcomplete
if (!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;// Totalbytesreceivedsofar
int bytesRcvd;// Bytesreceivedinlastread
while (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:" + // converttoStringperdefaultcharset
new String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));
clntChan.close();
}
}

这段代码使用ByteBuffer来保存读写的数据。通过clntChan.configureBlocking(false); 设置后，其中的connect，read，write操作都不回阻塞，而是立刻放回结果。

使用Selector

Selector的可以从所有的被注册到自己Channel中找到需要服务的实例。

我们来实现Echo Server。

首先，定义一个接口：

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;
}

我们的Echo Server将使用这个接口。然后我们实现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#ofargs
throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Port>...");
}
// Createaselectortomultiplexlisteningsocketsandconnections
Selector selector = Selector.open();
// Createlisteningsocketchannelforeachportandregisterselector
for (String arg : args) {
ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();
listnChannel.socket().bind(
new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));
listnChannel.configureBlocking(false);// mustbenonblockingtoregister
// Registerselectorwithchannel.Thereturnedkeyisignored
listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}
// Createahandlerthatwillimplementtheprotocol
TCPProtocol protocol = new EchoSelectorProtocol(BUFSIZE);
while (true) {// Runforever,processingavailableI/Ooperations
// Waitforsomechanneltobeready(ortimeout)
if (selector.select(TIMEOUT) == 0) {// returns#ofreadychans
System.out.print(".");
continue;
}
// GetiteratoronsetofkeyswithI/Otoprocess
Iterator<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
}
}
}
}

我们通过listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 注册了一个我们感兴趣的事件，然后调用selector.select(TIMEOUT)等待订阅的时间发生，然后再采取相应的处理措施。

最后我们实现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/Obuffer

public EchoSelectorProtocol(int bufSize) {
this.bufSize = bufSize;
}

public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
clntChan.configureBlocking(false);// Mustbenonblockingtoregister
// Registertheselectorwithnewchannelforreadandattachbytebuffer
clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer
.allocate(bufSize));
}

public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
// Clientsocketchannelhaspendingdata
SocketChannel 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).
*/
// Retrievedatareadearlier
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
buf.flip();// Preparebufferforwriting
SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();
clntChan.write(buf);
if (!buf.hasRemaining()) {// Buffercompletelywritten?
// Nothingleft,sonolongerinterestedinwrites
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
buf.compact();// Makeroomformoredatatobereadin
}
}

在这里，我们又进一步对Selector注册了相关的事件：key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

这样，我们就实现了基于NIO的Echo 系统。

参考

《TCP.IP.Sockets.in.Java.2nd.Edition》