【Java高级】Java中NIO非阻塞socket通信

传统阻塞IO



在传统IO通信中，可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocket

ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；

然后接受新的连接请求

Socket newConnection=server.accept（）；
//对于accept方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，服务器可以读客户socket中的请求。
InputStream in = newConnection.getInputStream();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
Request request = new Request();
while(!request.isComplete()) {
String line = buffer.readLine();
request.addLine(line);
}

这样的操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine（）方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞，只有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。

同样的问题在发送响应代码中也存在

Response response = request.generateResponse();
OutputStream out = newConnection.getOutputStream();
InputStream in = response.getInputStream()；
int ch；
while(-1 != (ch = in.read())) {
out.write(ch);
}
newConnection.close();

类似的，读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，但是一旦使用缓冲，流又会产生更多的垃圾。传统的解决方法通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程（大量的线程）。一般是实现一个线程池用来处理请求，但线程使得服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。

非阻塞NIO

1． Buffer

传统的I/O不断的浪费对象资源（通常是String）。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它根据其类别只包含唯一的数据类型。

java.nio.Buffer 类描述

java.nio.ByteBuffer 包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写

java.nio.MappedByteBuffer 包含字节类型，直接在内存某一区域映射

java.nio.CharBuffer 包含字符类型，不能写入通道

java.nio.DoubleBuffer 包含double类型，不能写入通道

java.nio.FloatBuffer 包含float类型

java.nio.IntBuffer 包含int类型

java.nio.LongBuffer 包含long类型

java.nio.ShortBuffer 包含short类型

可以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java数组基础上创建buffer。

2． 字符编码

向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，但是并没有处理字符转换。事实上，ByteBuffer没有提供方法读写String。

Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。

3． 通道(Channel)

你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。

GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。

为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader

4． Selector

在过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。

并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位，将要用两次。首先，当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时，它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后，一旦SelectionKey被选中了，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

ServerSocketChannel OP_ACCEPT

SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE

DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE

Pipe.SourceChannel OP_READ

Pipe.SinkChannel OP_WRITE

下面是一个nio的demo

SumServer.java

public class SumServer {
	private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);
	private IntBuffer _intBuffer = _buffer.asIntBuffer();
	private SocketChannel _clientChannel = null;
	private ServerSocketChannel _serverChannel = null;

	public void start() {
		try {
			openChannel();
			waitForConnection();
		} catch (IOException e) {
			System.err.println(e.toString());
		}
	}

	private void openChannel() throws IOException {
		_serverChannel = ServerSocketChannel.open();
		_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));

		_serverChannel.configureBlocking(false);// 设置成为非阻塞模式

		System.out.println("服务器通道已经打开");

	}

	// private void waitForConnection() throws IOException {
	// while (true) {
	// _clientChannel = _serverChannel.accept();
	// if (_clientChannel != null) {
	// System.out.println("新的连接加入");
	// processRequest();
	// _clientChannel.close();
	// }
	// System.out.println("buttom");
	// }
	// }

	private void waitForConnection() throws IOException {
		Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();
		/*
		 * 在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。
		 * 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表 上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。
		 */
		SelectionKey acceptKey = _serverChannel.register(acceptSelector,
				SelectionKey.OP_ACCEPT);
		int keysAdded = 0;

		/* select方法在任何上面注册了的操作发生时返回 */
		while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
			// 某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合
			System.out.println("wait---1");
			
			Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
			Iterator i = readyKeys.iterator();
			// 遍历ready键集合，并处理加法请求
			while (i.hasNext()) {
				System.out.println("wait---2");
				SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();
				i.remove();
				System.out.println("wait---3");
				ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel) sk
						.channel();
				System.out.println("wait---4");
				// 接受加法请求并处理它
				_clientChannel = nextReady.accept().socket().getChannel();
				processRequest();
				System.out.println("wait---5");
				_clientChannel.close();
				System.out.println("waitup");
			}
			
			System.out.println("wait");
			
		}
	}

	private void processRequest() throws IOException {
		_buffer.clear();
		_clientChannel.read(_buffer);
		int result = _intBuffer.get(0) + _intBuffer.get(1);
		_buffer.flip();
		_buffer.clear();
		_intBuffer.put(0, result);
		_clientChannel.write(_buffer);
	}

	public static void main(String[] args) {
		new SumServer().start();
	}
}

SumClient.java

public class SumClient {
	private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);
	private IntBuffer _intBuffer;
	private SocketChannel _channel;

	public SumClient() {
		_intBuffer = _buffer.asIntBuffer();
	} // SumClient constructor

	public int getSum(int first, int second) {
		int result = 0;
		try {
			_channel = connect();
			sendSumRequest(first, second);
			result = receiveResponse();
		} catch (IOException e) {
			System.err.println(e.toString());
		} finally {
			if (_channel != null) {
				try {
					_channel.close();
				} catch (IOException e) {
				}
			}
		}
		return result;
	}

	private SocketChannel connect() throws IOException {
		InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("localhost",
				10000);
		return SocketChannel.open(socketAddress);
	}

	private void sendSumRequest(int first, int second) throws IOException {
		_buffer.clear();
		_intBuffer.put(0, first);
		_intBuffer.put(1, second);
		_channel.write(_buffer);
		System.out.println("发送加法请求 " + first + "+" + second);
	}

	private int receiveResponse() throws IOException {
		_buffer.clear();
		_channel.read(_buffer);
		return _intBuffer.get(0);
	}

	public static void main(String[] args) {
		SumClient sumClient = new SumClient();
		System.out.println("加法结果为 :" + sumClient.getSum(200, 124));

		for (int i = 0; i < 10; i++) {

			SumClient sumClient2 = new SumClient();
			System.out.println("加法结果为 :" + sumClient2.getSum(0, i));

		}

	}
}