Java NIO服务器端开发

一、NIO类库简介

　　1、缓冲区Buffer

　　Buffer是一个对象，包含一些要写入和读出的数据。

　　在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理的，读取数据时，它是从通道(Channel)直接读到缓冲区中，在写入数据时，也是从缓冲区写入到通道。

　　缓冲区实质上是一个数组，通常是一个字节数组(ByteBuffer)，也可以是其它类型的数组，此外缓冲区还提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

　　Buffer类的继承关系如下图所示：

　　

　　2、通道Channel

　　Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。通道和流的不同之处在于通道是双向的(通道可以用于读、写后者二者同时进行)，流只是在一个方向上移动。

　　Channel大体上可以分为两类：用于网络读写的SelectableChannel(ServerSocketChannel和SocketChannel就是其子类)、用于文件操作的FileChannel。

　　下面的例子给出通过FileChannel来向文件中写入数据、从文件中读取数据，将文件数据拷贝到另一个文件中：

public class NioTest
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        copyFile();
    }
    //拷贝文件
    private static void copyFile()
    {
        FileInputStream in=null;
        FileOutputStream out=null;
        try
        {
            in=new FileInputStream("src/main/java/data/in-data.txt");
            out=new FileOutputStream("src/main/java/data/out-data.txt");
            FileChannel inChannel=in.getChannel();
            FileChannel outChannel=out.getChannel();
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = inChannel.read(buffer);
            while (bytesRead!=-1)
            {
                buffer.flip();
                outChannel.write(buffer);
                buffer.clear();
                bytesRead = inChannel.read(buffer);
            }
        }
        catch (FileNotFoundException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //写文件
    private static void writeFileNio()
    {
        try
        {
            RandomAccessFile fout = new RandomAccessFile("src/main/java/data/nio-data.txt", "rw");
            FileChannel fc=fout.getChannel();
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hi123".getBytes());
            buffer.flip();
            try
            {
                fc.write(buffer);
            } catch (IOException e)
            {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        catch (FileNotFoundException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //读文件
    private static void readFileNio()
    {
        FileInputStream fileInputStream;
        try
        {
            fileInputStream = new FileInputStream("src/main/java/data/nio-data.txt");
            FileChannel fileChannel=fileInputStream.getChannel();//从 FileInputStream 获取通道
            ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建缓冲区
            int bytesRead=fileChannel.read(byteBuffer);//将数据读到缓冲区
            while(bytesRead!=-1)
            {
                /*limit=position
                 * position=0;
                 */
                byteBuffer.flip();
                //hasRemaining():告知在当前位置和限制之间是否有元素
                while (byteBuffer.hasRemaining())
                {
                    System.out.print((char) byteBuffer.get());
                }
                /*
                 * 清空缓冲区
                 * position=0;
                 * limit=capacity;
                 */
                byteBuffer.clear();
                bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
            }
        } catch (FileNotFoundException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　3、多路复用器Selector

　　多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。Selector会不断的轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发送读或者写事件，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代替了传统的select实现，所以它没有最大连接句柄1024/2048的限制，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。其模型如下图所示：

　　

　　用单线程处理一个Selector。要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

　　注：

　　1、什么select模型？

　　select是事件触发机制，当等待的事件发生就触发进行处理，多用于Linux实现的服务器对客户端的处理。

　　可以阻塞地同时探测一组支持非阻塞的IO设备，是否有事件发生(如可读、可写，有高优先级错误输出等)，直至某一个设备触发了事件或者超过了指定的等待时间。也就是它们的职责不是做IO，而是帮助调用者寻找当前就绪的设备。

　　2、什么是epoll模型？

　　epoll的设计思路，是把select/poll单个的操作拆分为1个epoll_create+多个epoll_ctrl+一个wait。此外，内核针对epoll操作添加了一个文件系统”eventpollfs”，每一个或者多个要监视的文件描述符都有一个对应的eventpollfs文件系统的inode节点，主要信息保存在eventpoll结构体中。而被监视的文件的重要信息则保存在epitem结构体中。所以他们是一对多的关系。

二、NIO服务器端开发

　　功能说明：开启服务器端，对每一个接入的客户端都向其发送hello字符串。

　　使用NIO进行服务器端开发主要有以下几个步骤：

　　1、创建ServerSocketChannel，配置它为非阻塞模式

    serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

　　2、绑定监听，配置TCP参数，如backlog大小

    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

　　3、创建一个独立的I/O线程，用于轮询多路复用器Selector

　　4、创建Selector，将之前创建的ServerSocketChannel注册到Selector上，监听SelectionKey.ACCEPT

　 selector=Selector.open();
   serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　5、启动I/O线程，在循环体内执行Selector.select()方法，轮询就绪的Channel

　　while(true)
   {
        try
        {
           //select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
           //如果没有准备好的channel,就在这一直阻塞
           //select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
           selector.select();
        }
        catch (IOException e)
        {
           // TODO Auto-generated catch block
           e.printStackTrace();
           break;
         }
　}

　　6、当轮询到了处于就绪状态的Channel时，需对其进行判断，如果是OP_ACCEPT状态，说明是新的客户端接入，则调用ServerSocketChannel.accept()方法接受新的客户端

　　　  　//返回已经就绪的SelectionKey，然后迭代执行
            Set<SelectionKey> readKeys=selector.selectedKeys();
            for(Iterator<SelectionKey> it=readKeys.iterator();it.hasNext();)
            {
                SelectionKey key=it.next();
                it.remove();
                try
                {
                    if(key.isAcceptable())
                    {
                        ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel client=server.accept();
                        client.configureBlocking(false);
                        client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                    else if(key.isWritable())
                    {
                        SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
                        String str="hello";
                        buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
                        client.write(buffer);
                        key.cancel();
                    }
                }catch(IOException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                    key.cancel();
                    try
                    {
                        key.channel().close();
                    } catch (IOException e1)
                    {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e1.printStackTrace();
                    }

                }
            }    

　　7、设置新接入的客户端链路SocketChannel为非阻塞模式，配置其他的一些TCP参数

　　if(key.isAcceptable())
    {
        ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel client=server.accept();
        client.configureBlocking(false);
        ...
    }

　　8、将SocketChannel注册到Selector，监听OP_WRITE

　　client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);

　　9、如果轮询的Channel为OP_WRITE，则说明要向SockChannel中写入数据，则构造ByteBuffer对象，写入数据包

　　else if(key.isWritable())
    {
        SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
        String str="hello";
        buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        client.write(buffer);
        key.cancel();
    } 

　　完整代码如下：

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.Iterator;
import java.util.Set;

public class ServerSocketChannelDemo
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel;
        Selector selector=null;
        try
        {
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            selector=Selector.open();
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        }
        catch (IOException e)
        {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        while(true)
        {
            try
            {
                //select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
                //如果没有准备好的channel,就在这一直阻塞
                //select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
                selector.select();
            }
            catch (IOException e)
            {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
                break;
            }
            //返回已经就绪的SelectionKey，然后迭代执行
            Set<SelectionKey> readKeys=selector.selectedKeys();
            for(Iterator<SelectionKey> it=readKeys.iterator();it.hasNext();)
            {
                SelectionKey key=it.next();
                it.remove();
                try
                {
                    if(key.isAcceptable())
                    {
                        ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel client=server.accept();
                        client.configureBlocking(false);
                        client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                    else if(key.isWritable())
                    {
                        SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
                        String str="hello";
                        buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
                        client.write(buffer);
                        key.cancel();
                    }
                }catch(IOException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                    key.cancel();
                    try
                    {
                        key.channel().close();
                    } catch (IOException e1)
                    {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e1.printStackTrace();
                    }

                }
            }
        }
    }
}

　　我们用telnet localhost 8080模拟出多个客户端：

　　

　　程序运行结果如下：

　　

三、参考资料

　　1、netty权威指南(李林峰)