在Java中使用NIO进行网络编程-阿里云开发者社区

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：

[java]view plaincopy 
   
 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：

[java]view plaincopy 
   
 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。

我们的Echo Server将使用这个接口。然后我们实现Echo Server：

[java]view plaincopy
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  
            }  
        }  
    }  
}  

最后我们实现EchoSelectorProtocol

[c-sharp]view plaincopy 
   
 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。

在Java中使用NIO进行网络编程

为什么需要NIO

配合Buffer使用Channel

使用Selector

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