Java IO编程全解（四）——NIO编程
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NIO，即New I/O，这是官方叫法，因为它相对于之前的I/O类库是新增的。但是，由于之前老的I/O类库是阻塞I/O，New I/O类库的目标就是要让Java支持非阻塞I/O，所以，更多的人喜欢称之为非阻塞I/O（Non-block I/O），由于非阻塞I/O更能够体现NIO的特点，所以这里使用的NIO都是指非阻塞I/O。
与Socket类和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用非常简单，但是性能和可靠性都不好，非阻塞则正好相反。开发人员一般可以根据自己的需要来选择合适的模式，一般来说，低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞I/O以降低编程复杂度，但是对于高负载、高并发的网络应用，需要使用NIO的非阻塞模式进行开发。
1.NIO类库简介
新的输入/输出（NIO）库是在JDK1.4中引入的。NIO弥补了原来同步阻塞I/O的不足，它在标准Java代码中提供了高速的、面向块的I/O。通过定义包含数据的类，以及通过以块的形式处理这些数据，NIO不使用本机代码就可以利用低级优化，这是原来的I/O包所无法做到的。下面对NIO的一些概念和功能做下简单介绍，以便大家能够快速地了解NIO类库和相关概念。
1.缓冲区Buffer
Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中。
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组(ByteBuffer)，也可以使用其他种类的数组。但是缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置(limit)等信息。
最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组。除了ByteBuffer，还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型（除了Boolean类型）都对应有一种缓冲区，具体如下：
- ByteBuffer：字节缓冲区
- CharBuffer：字符缓冲区
- ShortBuffer：短整型缓冲区
- IntBuffer：整型缓冲区
- LongBuffer：长整型缓冲区
- FloatBuffer：浮点型缓冲区
- DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区
每一个Buffer类都是Buffer接口的一个子实例。除了ByteBuffer,每一个Buffer类都有完全一样的操作，只是它们所处理的数据类型不一样。因为大多数标准I/O操作都是使用ByteBuffer，所以它除了具有一般缓冲区的操作之外还提供一些特有的操作，方便网络读写。
2.通道Channel
Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而且通道可以用于读、写或者同时读写。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。
3.多路复用器Selector
多路复用器Selector是Java NIO编程的基础，熟练地掌握Selector对于掌握NIO编程至关重要。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll()代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048的限制。这也就意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端，这确实是个非常巨大的进步。
2.NIO服务端序列图
NIO服务端通信序列图如下图所示：
下面，我们对NIO服务端的主要创建过程进行讲解和说明，作为NIO的基础入门，我们将忽略掉一些在生产环境中部署所需要的一些特性和功能。
步骤一：打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道。
ServerSocketChannel acceptorSvr=ServerSocketChannel.open();
步骤二：绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式。
acceptorSvr.socket().bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getByName("IP"),port));
acceptorSvr.configureBlocking(false);
步骤三：创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程。
Selector selector=Selector.open();
New Thread(new ReactorTask()).start();
步骤四：将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件。
SelectionKey key=acceptorSvr.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT,ioHandler);
步骤五：多路复用器在线程run方法的无线循环体内轮询准备就绪的Key。
int num=selector.select();
Set selectedKeys=selector.selectedKeys();
Iterator it=selectedKeys.iterator();
while(it.hasNext()){
SelectionKey key=(SelectionKey )it.next();
//...deal with I/O event...
}
步骤六：多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路。
SocketChannel channel=svrChannel.accpet();
步骤七：设置客户端链路为非阻塞模式。
channel.configureBlocking(false);
channel.socket().setReuseAddress(true);
......
步骤八：将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器，监听读操作，用来读取客户端发送的网络消息。
SelectionKey key=socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ,ioHandler);
步骤九：异步读取客户端请求消息到缓冲区。
int readNumber=channel.read(receivedBuffer);
步骤十：对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
Object message=null;
while(buffer.hasRemain()){
byteBuffer.mark();
Object message=decode(byteBuffer);
if(message==null){
byteBuffer.reset();
break;
}
messageList.add(message);
}
if(!byteBuffer.hasRemain()){
byteBuffer.clear();
}else{
byteBuffer.compact();
}
if(messageList!=null& !messageList.isEmpty()){
for(Object messageE: messageList){
handlerTask(messageE);
}
}
步骤十一：将POJO对象encode成ByteBuffer,调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。
socketChannel.write(buffer);
注意：如果发送区TCP缓冲区满，会导致写半包，此时，需要注册监听写操作位，循环写，直到整包消息写入TCP缓冲区。
当我们了解创建NIO服务端的基本步骤之后，下面我们将前面的时间服务器程序通过NIO重写一遍，让大家能够学习到完整版的NIO服务端创建。
3.NIO创建的TimeServer源码分析
package joanna.yan.nio;
public class TimeServer {
public static void main(String[] args) {
int port=9090;
if(args!=null&&args.length>0){
try {
port=Integer.valueOf(args[0]);
} catch (Exception e) {
// 采用默认值
}
}
MultiplexerTimeServer timeServer=new MultiplexerTimeServer(port);
new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
}
}
package joanna.yan.nio; import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* 多路复用类
* 它是一个独立的线程，负责轮询多路复器Selector,可以处理多个客户端的并发接入。
* @author Joanna.Yan
* @date 2017年11月6日下午3:51:41
*/
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable{ private Selector selector;//多路复用器
private ServerSocketChannel servChannel;
private volatile boolean stop; /**
* 初始化多路复用器、绑定监听端口
* @param port
*/
public MultiplexerTimeServer(int port){
try {
selector=Selector.open();
servChannel=ServerSocketChannel.open();
servChannel.configureBlocking(false);
servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);
servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("The time server is start in port: "+port); } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
public void stop(){
this.stop=true;
}
@Override
public void run() {
while(!stop){
try {
//设置selector的休眠时间为1s，无论是否有读写等事件发生，selector每隔1s都被唤醒一次。
selector.select(1000);
//当有处于就绪状态的Channel时，selector就返回就绪状态的Channel的SelectionKey集合。
Set<SelectionKey> selectedKeys=selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it=selectedKeys.iterator();
SelectionKey key=null;
//通过对就绪状态的Channel集合进行迭代，可以进行网络的异步读写操作。
while(it.hasNext()){
key=it.next();
it.remove();
try {
handleInput(key);
} catch (Exception e) {
if(key!=null){
key.cancel();
if(key.channel()!=null){
key.channel().close();
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/*
* 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源。
*/
if(selector!=null){
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
if(key.isValid()){
//处理新接入的请求消息
//通过SelectionKey的操作位进行判断即可获知网络事件类型
if(key.isAcceptable()){
//Accept the new connection
ServerSocketChannel ssc=(ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc=ssc.accept();
//-----以上操作相当于完成了TCP的三次握手，TCP物理链路正式建立------ //将新创建的SocketChannel设置为异步非阻塞，同时也可以对其TCP参数进行设置，例如TCP接收和发送缓冲区的大小等。
sc.configureBlocking(false);
//Add the new connection to the selector
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
if(key.isReadable()){
//Read the data
SocketChannel sc=(SocketChannel) key.channel();
//由于实现我们得知客户端发送的码流大小，作为例程，我们开辟一个1K的缓冲区
ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
//由于已经设置SocketChannel为异步非阻塞模式，因此它的read是非阻塞的。
int readBytes=sc.read(readBuffer);
/*
* readBytes>0 读到了字节，对字节进行编解码；
* readBytes=0 没有读取到字节，属于正常场景，忽略；
* readByte=-1 链路已经关闭，需要关闭SocketChannel，释放资源
*/
if(readBytes>0){
//将缓冲区当前的limit设置为position，position设置为0，用于后续对缓冲区的读取操作。
readBuffer.flip();
//根据缓冲区可读的字节个数创建字节数组
byte[] bytes=new byte[readBuffer.remaining()];
//调用ByteBuffer的get操作将缓冲区可读的字节数组复制到新创建爱你的字节数组中
readBuffer.get(bytes);
String body=new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println("The time server receive order: "+body);
//如果请求指令是"QUERY TIME ORDER"则把服务器的当前时间编码后返回给客户端
String currentTime="QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(
System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER"; doWrite(sc,currentTime);
}else if(readBytes<0){ //对端链路关闭
key.cancel();
sc.close();
}else{
//读到0字节，忽略
}
}
}
} private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws IOException{
if(response!=null&& response.trim().length()>0){
byte[] bytes=response.getBytes();
ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(bytes.length);
//调用ByteBuffer的put操作将字节数组复制到缓冲区
writeBuffer.put(bytes);
writeBuffer.flip();
channel.write(writeBuffer); /*
* 需要指出的是，由于SocketChannel是异步非阻塞的，它并不保证一次性能够把需要发送的字节数组发送完，
* 此时会出现“写半包”问题，我们需要注册写操作，不断轮询Selector，将没有发送完毕的ByteBuffer发送完毕，
* 可以通过ByteBuffer的hasRemaining()方法判断消息是否发送完成。
* 此处仅仅是各简单的入门级例程，没有演示如何处理“写半包”场景，后面会说到。
*/
}
}
}
4.NIO客户端序列图
NIO客户端创建序列图如图所示。
步骤一：打开SocketChannel，绑定客户端本地地址（可选，默认系统会随机分配一个可用的本地地址）
SocketChannel clientChannel=SocketChannel.open();
步骤二：设置SocketChannel为非阻塞模式，同时设置客户端连接的TCP参数。
clientChannel.configureBlocking(false);
socket.setReuseAddress(true);
socket.setReceiveBufferSize(BUFFER_SIZE);
socket.setSendBufferSize(BUFFER_SIZE);
步骤三：异步连接服务端。
boolean connected=clientChannel.connect(new InetSocketAddress("ip",port));
步骤四：判断是否连接成功，如果连接成功，则直接注册读状态位到多路复用器中，如果当前没有连接成功（异步连接，返回false，说明客户端已经发送sync包，服务端没有返回ack包，物理链路还没有建立）。
if(connected){
clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ,ioHandler);
}else{
clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT,ioHandler);
}
步骤五：向Reactor线程的多路复用器注册OP_CONNECT状态位，监听服务端的TCP ACK应答。
clientChannel.register(selector,SelectionKay.OP_CONNECT,ioHandler);
步骤六：创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程。
Selector selector=Selector.open();
new Thread(new ReactorTask()).start();
步骤七：多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的key。
int num=selector.select();
Set selectedKeys=selector.selectedKeys();
Iterator it=selectedKeys.iterator();
while(it.hasNext()){
SelectionKey key=(SelectionKey)it.next();
//...deal with I/O event...
}
步骤八：接收connect事件进行处理。
if(key.isConnectable()){
//handlerConnect();
}
步骤九：判断连接结果，如果连接成功，注册读事件到多路复用器。
if(channel.finishConnect()){
registerRead();
}
步骤十：注册读事件到多路复用器。
clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ,ioHandler);
步骤十一：异步读客户端请求消息到缓冲区。
int readNumber=channel.read(receivedBuffer);
步骤十二：对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息接收缓冲区Reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task,投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
Object message=null;
while(buffer.hasRemain()){
byteBuffer.mark();
Object message=decode(byteBuffer);
if(message==null){
byteBuffer.reset();
break;
}
messageList.add(message);
}
if(!byteBuffer.hasRemain()){
byteBuffer.clear();
}else{
byteBuffer.compact();
}
if(messageList!=null & !messageList.isEmpty()){
for(Object messageE:messageList){
handlerTask(messageE);
}
}
步骤十三：将POJO对象encode成ByteBuffer,调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。
socketChannel.wirte(buffer);
5.NIO创建的TimeClient源码分析
package joanna.yan.nio;
public class TimeClient {
public static void main(String[] args) {
int port=9090;
if(args!=null&&args.length>0){
try {
port=Integer.valueOf(args[0]);
} catch (Exception e) {
// 采用默认值
}
}
new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port),"TimClient-001").start();
}
}
package joanna.yan.nio; import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ClosedChannelException;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* 处理异步连接和读写操作
* @author Joanna.Yan
* @date 2017年11月6日下午4:33:14
*/
public class TimeClientHandle implements Runnable{
private String host;
private int port;
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private volatile boolean stop; /**
* 初始化NIO的多路复用器和SocketChannel对象
* @param host
* @param port
*/
public TimeClientHandle(String host,int port){
this.host=host==null ? "127.0.0.1" : host;
this.port=port;
try {
selector=Selector.open();
socketChannel=SocketChannel.open();
//设置为异步非阻塞模式，同时还可以设置SocketChannel的TCP参数。例如接收和发送的TCP缓冲区大小
socketChannel.configureBlocking(false);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
@Override
public void run() {
try {
doConnect();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
while(!stop){
try {
selector.select(1000);
Set<SelectionKey> selectedKeys=selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it=selectedKeys.iterator();
SelectionKey key=null;
while(it.hasNext()){//轮询多路复用器Selector，当有就绪的Channel时
key=it.next();
it.remove();
try {
handleInput(key);
} catch (Exception e) {
if(key!=null){
key.cancel();
if(key.channel()!=null){
key.channel().close();
}
}
}
} } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
//多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动注册并关闭，所以不需要重复释放资源。
/*
* 由于多路复用器上可能注册成千上万的Channel或者pipe，如果一一对这些资源进行释放显然不合适。
* 因此，JDK底层会自动释放所有跟此多路复用器关联的资源。
*/ if(selector!=null){
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} //多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动注册并关闭，所以不需要重复释放资源。
/*
* 由于多路复用器上可能注册成千上万的Channel或者pipe，如果一一对这些资源进行释放显然不合适。
* 因此，JDK底层会自动释放所有跟此多路复用器关联的资源。
*/ if(selector!=null){
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws ClosedChannelException, IOException {
if(key.isValid()){
//判断是否连接成功
SocketChannel sc=(SocketChannel) key.channel();
if(key.isConnectable()){//处于连接状态，说明服务器已经返回ACK应答消息
if(sc.finishConnect()){//对连接结果进行判断
/*
* 将SocketChannel注册到多路复用器上，注册SelectionKey.OP_READ操作位，
* 监听网络读操作，然后发送请求消息给服务端。
*/
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
doWrite(sc);
}else{
System.exit(1);//连接失败，进程退出
}
}
if(key.isReadable()){
//开辟缓冲区
ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
//异步读取
int readBytes=sc.read(readBuffer);
if(readBytes>0){
readBuffer.flip();
byte[] bytes=new byte[readBuffer.remaining()];
readBuffer.get(bytes);
String body=new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println("Now is: "+body);
this.stop=true;
}else if(readBytes<0){
//对端链路关闭
key.cancel();
sc.close();
}else{
//读到0字节，忽略
}
}
}
}
private void doConnect() throws IOException {
//如果直接连接成功，则将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，发送请求消息，读应答
if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))){
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
doWrite(socketChannel);
}else{
/*
* 如果没有直接连接成功，则说明服务端没有返回TCP握手应答信息，但这并不代表连接失败，
* 我们需要将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，注册SelectionKey.OP_CONNECT，
* 当服务端返回TCP syn-ack消息后，Selector就能轮询到整个SocketChannel处于连接就绪状态。
*/
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
} private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
byte[] req="QUERY TIME ORDER".getBytes();
ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(req.length);
//写入到发送缓冲区中
writeBuffer.put(req);
writeBuffer.flip();
//由于发送是异步的，所以会存在"半包写"问题，此处不赘述
sc.write(writeBuffer);
if(!writeBuffer.hasRemaining()){//如果缓冲区中的消息全部发送完成
System.out.println("Send order 2 server succeed.");
}
}
}
通过源码对比分析发现，NIO编程难度确实比同步阻塞BIO大很多，此处我们的NIO例程并没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码会更加复杂。NIO代码既然这么复杂，为什么它的应用却越来越广泛呢，使用NIO编程的优点总结如下：
- 客户端发起的连接操作是异步的，可以通过多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
- SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用。
- 线程模型的优化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降，因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。
JDK1.7升级了NIO类库，升级后的NIO类库被称为NIO 2.0。引入注目的是，Java正式提供了异步文件I/O操作，同时提供了与UNIX网络编程事件驱动I/O对应的AIO。
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