Java nio socket

之前的 I/O 编程

在 JDK 1.4 之前，自由地使用线程是处理阻塞问题最典型的办法。但这个解决办法会产生它自己的问题 ― 即线程开销，线程开销同时影响性能和可伸缩性。

用 Java 语言写的服务器，由于其线程与客户机之比几乎是一比一，因而易于受到大量线程开销的影响，其结果是既导致了性能问题又缺乏可伸缩性。
为了解决这个问题，Java 平台引入了一组新的类。java.nio 包充满了解决线程开销问题的技巧，包中最重要的是新的 SelectableChannel 类和 Selector 类。 通道（channel）是客户机和服务器之间的一种通信方式。 选择器（selector）与 Windows 消息循环类似，它从不同客户机捕获各种事件并将它们分派到相应的事件处理程序。

通道和选择器

NIO 的非阻塞 I/O 机制是围绕 选择器和 通道构建的。 Channel 类表示服务器和客户机之间的一种通信机制。与反应器模式一致， Selector 类是 Channel 的多路复用器。 Selector 类将传入客户机请求多路分用并将它们分派到各自的请求处理程序。

我们将仔细考察 Channel 类和 Selector 类的各个功能，以及这两个类如何协同工作，创建非阻塞 I/O 实现。

通道做什么

通道表示连到一个实体（例如：硬件设备、文件、网络套接字或者能执行一个或多个不同 I/O 操作（例如：读或写）的程序组件）的开放连接。可以异步地关闭和中断 NIO 通道。所以，如果一个线程在某条通道的 I/O 操作上阻塞时，那么另一个线程可以将这条通道关闭。类似地，如果一个线程在某条通道的 I/O 操作上阻塞时，那么另一个线程可以中断这个阻塞线程。



在 java.nio.channels 包中有不少通道接口。我们主要关心 java.nio.channels.SocketChannel 接口和 java.nio.channels.ServerSocketChannel 接口。 这两个接口可用来分别代替 java.net.Socket 和 java.net.ServerSocket 。尽管我们当然将把注意力放在以非阻塞方式使用通道上，但通道可以以阻塞方式或非阻塞方式使用。

创建一条非阻塞通道

 

为了实现基础的非阻塞套接字读和写操作，我们要处理两个新类。它们是来自 java.net 包的 InetSocketAddress 类，它指定连接到哪里，以及来自 java.nio.channels 包的 SocketChannel 类，它执行实际的读和写操作。

这部分中的代码片段显示了一种经过修改的、非阻塞的办法来创建基础的服务器-套接字程序。请注意这些代码样本与第一个示例中所用的代码之间的变化，从添加两个新类开始：

String host = ......;
   InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(host, 80);
	
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
   channel.connect(socketAddress);

 为了使通道成为非阻塞的，我们在通道上调用 configureBlockingMethod(false) ，如下所示：

channel.configureBlockingMethod(false);

 在阻塞模式中，线程将在读或写时阻塞，一直到读或写操作彻底完成。如果在读的时候，数据尚未完全到达套接字，则线程将在读操作上阻塞，一直到数据可用。

在非阻塞模式中，线程将读取已经可用的数据（不论多少），然后返回执行其它任务。如果将真（true）传递给 configureBlockingMethod() ，则通道的行为将与在 Socket 上进行阻塞读或写时的行为完全相同。唯一的主要差别，如上所述，是这些阻塞读和写可以被其它线程中断。

单靠 Channel 创建非阻塞 I/O 实现是不够的。要实现非阻塞 I/O， Channel 类必须与 Selector 类配合进行工作。

 

选择器做什么

在反应器模式情形中， Selector 类充当 Reactor 角色。 Selector 对多个 SelectableChannels 的事件进行多路复用。每个 Channel 向 Selector 注册事件。当事件从客户机处到来时， Selector 将它们多路分用并将这些事件分派到相应的 Channel 。

创建 Selector 最简单的办法是使用 open() 方法，如下所示：

Selector selector = Selector.open();

 

通道遇上选择器

每个要为客户机请求提供服务的 Channel 都必须首先创建一个连接。下面的代码创建称为 Server 的 ServerSocketChannel 并将它绑定到本地端口：

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
InetAddress ia = InetAddress.getLocalHost();
InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(ia, port );
serverChannel.socket().bind(isa);

 每个要为客户机请求提供服务的 Channel 都必须接着将自己向 Selector 注册。 Channel 应根据它将处理的事件进行注册。例如，接受传入连接的 Channel 应这样注册，如下：

SelectionKey acceptKey = 
    channel.register( selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

 

Channel 向 Selector 的注册用 SelectionKey 对象表示。满足以下三个条件之一， Key 就失效：
Channel 被关闭。
Selector 被关闭。
通过调用 Key 的 cancel() 方法将 Key 本身取消。

Selector 在 select() 调用时阻塞。接着，它开始等待，直到建立了一个新的连接，或者另一个线程将它唤醒，或者另一个线程将原来的阻塞线程中断。

注册服务器

Server 是那个将自己向 Selector 注册以接受所有传入连接的 ServerSocketChannel ，如下所示：

SelectionKey acceptKey = serverChannel.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   while (acceptKey.selector().select() > 0 ){
     ......

 Server 被注册后，我们根据每个关键字（key）的类型以迭代方式对一组关键字进行处理。一个关键字被处理完成后，就都被从就绪关键字（ready keys）列表中除去，如下所示：

Set readyKeys = sel.selectedKeys();
    Iterator it = readyKeys.iterator();
while (it.hasNext()) 
{
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
  it.remove();
  ....
  ....
  ....
 }

 

如果关键字是可接受（acceptable）的，则接受连接，注册通道，以接受更多的事件（例如：读或写操作）。 如果关键字是可读的（readable）或可写的（writable），则服务器会指示它已经就绪于读写本端数据：

SocketChannel socket;
if (key.isAcceptable()) {
    System.out.println("Acceptable Key");
    ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
    socket = (SocketChannel) ssc.accept();
    socket.configureBlocking(false);
    SelectionKey another = 
      socket.register(sel,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);
}
if (key.isReadable()) {
    System.out.println("Readable Key");
    String ret = readMessage(key);
    if (ret.length() > 0) {
      writeMessage(socket,ret);
    }
		    
}
if (key.isWritable()) {
    System.out.println("Writable Key");
    String ret = readMessage(key);
    socket = (SocketChannel)key.channel();   
    if (result.length() > 0 ) {
      writeMessage(socket,ret);
    }
    }

 

运行这个示例

安装 JDK 1.4。
将两个 源代码文件 复制到您的目录。
编译和运行服务器， java NonBlockingServer 。
编译和运行客户机， java Client 。
输入类文件所在目录的一个文本文件或 java 文件的名称。
服务器将读取该文件并将其内容发送到客户机。
客户机将把从服务器接收到的数据打印出来。（由于所用的 ByteBuffer 的限制，所以将只读取 1024 字节。）
输入 quit 或 shutdown 命令关闭客户机。

 

结束语

Merlin 的新 I/O 包覆盖范围很广。Merlin 的新的非阻塞 I/O 实现的主要优点有两方面：线程不再在读或写时阻塞，以及 Selector 能够处理多个连接，从而大幅降低了服务器应用程序开销。