Java网络服务器编程(NIO版)

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。

Listing 4:

public abstract class EchoState { public abstract void process(NioEchoSession s) throws IOException; public abstract int interestOps(); public static EchoState readState() { return _read; } public static EchoState writeState() { return _write; } protected static EchoState _read = new ReadState(); protected static EchoState _write = new WriteState(); }

Listing 5是NioEchoSession的实现。NioEchoSession包含有一个SocketChannel，这个channel注册后得到的SelectionKey，一个用于存放数据的ByteBuffer和一个记录当前state的EchoState对象。在初始化时，EchoState被初始化为一个ReadState。NioEchoSession把process()方法和interestOps()方法都delegate到当前的EchoState中。其setState()方法用于切换当前state，在切换state后，NioEchoSession会通过SelectionKey更新注册的interestOps。close()方法用于关闭这个NioEchoSession对象。

Listing 5:

public class NioEchoSession implements NioSession { public NioEchoSession(SocketChannel c) { _channel = c; _buf = ByteBuffer.allocate(128); _state = EchoState.readState(); } public void registered(SelectionKey key) { _key = key; } public void process() { try { _state.process(this); } catch (IOException ex) { close(); throw new Error(ex); } } public SelectableChannel channel() { return _channel; } public int interestOps() { return _state.interestOps(); } public void setState(EchoState state) { _state = state; _key.interestOps(interestOps()); } public void close() { try { _channel.close(); } catch (IOException ex) { throw new Error(ex); } } protected SocketChannel _channel = null; protected SelectionKey _key; protected ByteBuffer _buf = null; protected EchoState _state = null; }

Listing 6和Listing 7分别是ReadState和WriteState的实现。ReadState在process()中会先从NioEchoSession的channel中读取数据，如果未能读到数据，NioEchoSession会继续留在ReadState；如果读取出错，NioEchoSession会被关闭；如果读取成功，NioEchoSession会被切换到WriteState。WriteState则负责将NioEchoSession中已经读取的数据写回到channel中，全部写完后，NioEchoSession会被切换回ReadState。

Listing 6:

public class ReadState extends EchoState { public void process(NioEchoSession s) throws IOException { SocketChannel channel = s._channel; ByteBuffer buf = s._buf; int count = channel.read(buf); if (count == 0) { return; } if (count == -1) { s.close(); return; } buf.flip(); s.setState(EchoState.writeState()); } public int interestOps() { return SelectionKey.OP_READ; } }

Listing 7:

public class WriteState extends EchoState { public void process(NioEchoSession s) throws IOException { SocketChannel channel = s._channel; ByteBuffer buf = s._buf; channel.write(buf); if (buf.remaining() == 0) { buf.clear(); s.setState(EchoState.readState()); } } public int interestOps() { return SelectionKey.OP_WRITE; } }

NioEchoServer(Listing 8)被用来启动和关闭一个TCP Echo Server，这个类实现了Runnable接口，调用其run()方法就启动了Echo Server。其shutdown()方法被用来关闭这个Echo Server，注意shutdown()和run()的finally block中的同步代码确保了只有当Echo Server被关闭后，shutdown()方法才会返回。

Listing 8:

public class NioEchoServer implements Runnable { public void run() { try { ServerSocketChannel serv = ServerSocketChannel.open(); try { serv.socket().bind(new InetSocketAddress(7)); serv.configureBlocking(false); _worker = new NioWorker(Selector.open()); NioServerSession s = new NioServerSession(serv, _worker); _worker.add(s); _worker.run(); } finally { _worker.closeAllChannels(); synchronized (this) { notify(); } } } catch (IOException ex) { throw new Error(ex); } } public synchronized void shutdown() { _worker.stop(); try { wait(); } catch (InterruptedException ex) { throw new Error(ex); } } protected NioWorker _worker = null; }

最后，通过一个简单的main()函数(Listing 9)，我们就可以运行这个Echo Server了。

Listing 9:

public static void main(String [] args) { new NioEchoServer().run(); }

我们可以通过telnet程序来检验这个程序的运行状况：

1． 打开一个命令行，输入 telnet localhost 7 来运行一个telnet程序并连接到Echo Server上。

2． 在telnet程序中输入字符，可以看到输入的字符被显示在屏幕上。（这是因为Echo Server将收到的字符写回到客户端）

3． 多打开几个telnet程序进行测试，可以看到Echo Server能通过NIO API用一个Thread服务多个客户端。

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。