Java NIO

java 网络编程中，不可避免的要谈论NIO，这篇文章就来谈谈对NIO的认识。

IO传统意义上分为File IO，StreamIO，这两个分别对应文件读写和Socket，文件读写IO目前只有阻塞进行读写，而socket由于Selector和ByteBuffer构成了非阻塞IO，但是由于NIO需要单独的线程去遍历selectoryKey，导致线程资源一致被占用，所以AIO出现了，利用监听回调，来取代遍历selectorykey。


一、阻塞IO网络通信

在传统的阻塞IO模型中，大多是通过多线程处理不同的socket，尤其是在服务端，accept会创建不同的channel，然后利用独立的线程进行处理具体的业务逻辑。由于thread的创建和切换需要占用系统资源，当thread数量比较少时，这种模式还是比较好的，但是当thead量比较大时，就会出现许多问题。一个thread 栈linux默认是8M大小，如果客户端通过DDOS进行攻击，建立多个connect，多导致服务端内存占用非常大，导致服务器挂掉。


下面写一个阻塞IO通信模型：
客户端：

public class Client {

  public static final String IP_ADDR = "localhost"; //  服务端ip地址，这里采用本地地址
  public static final int PORT = 1978;

  public static void main(String[] args) {

         while (true) {  
        	Socket socket = null;
        	try {
        		//创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号
	        	socket = new Socket(IP_ADDR, PORT);  
	              
	            //读取服务器端数据  
	            DataInputStream input = new DataInputStream(socket.getInputStream());  
	            //向服务器端发送数据  
	            DataOutputStream out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());  
	            System.out.print("请输入: \t");  
	            String str = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine();  
	            out.writeUTF(str);  
	              
	            String ret = input.readUTF();   
	            System.out.println("服务器端返回过来的是: " + ret);  
	            // 如接收到 "OK" 则断开连接  
	            if ("OK".equals(ret)) {  
	                System.out.println("客户端将关闭连接");  
	                Thread.sleep(500);  
	                break;  
	            }  
	            
	            out.close();
	            input.close();
        	} catch (Exception e) {
        		System.out.println("客户端异常:" + e.getMessage()); 
        	} finally {
        		if (socket != null) {
        			try {
						socket.close();
					} catch (IOException e) {
						socket = null; 
						System.out.println("客户端 finally 异常:" + e.getMessage()); 
					}
        		}
        	}
        }  
    }
}

}

上面代码是简单的Client建立socket通道，同服务端通信的例子，这里的通道是一个短链接，每次都需要建立连接，发送数据，然后在关闭。

Socket是一个网络IO模块，分为input，output，这里的读和写都是阻塞的，等待服务端有返回时，才会有响应，这种模式就需要占用多个线程资源。

看一下服务端代码：

public class Service {
	public static final int PORT = 12345;//监听的端口号   
	
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println("服务器启动...\n");  
        Service server = new Service();  
        server.init();  
    }  
  
    public void init() {  
        try {  
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);  
            while (true) {  
                // 一旦有堵塞, 则表示服务器与客户端获得了连接  
                Socket client = serverSocket.accept();  
                // 处理这次连接  
                new HandlerThread(client);  
            }  
        } catch (Exception e) {  
            System.out.println("服务器异常: " + e.getMessage());  
        }  
    }  
  
    private class HandlerThread implements Runnable {  
        private Socket socket;  
        public HandlerThread(Socket client) {  
            socket = client;  
            new Thread(this).start();  
        }  
  
        public void run() {  
            try {  
                // 读取客户端数据  
                DataInputStream input = new DataInputStream(socket.getInputStream());
                String clientInputStr = input.readUTF();//这里要注意和客户端输出流的写方法对应,否则会抛 EOFException
                // 处理客户端数据  
                System.out.println("客户端发过来的内容:" + clientInputStr);  
  
                // 向客户端回复信息  
                DataOutputStream out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());  
                System.out.print("请输入:\t");  
                // 发送键盘输入的一行  
                String s = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine();  
                out.writeUTF(s);  
                
                out.close();  
                input.close();  
            } catch (Exception e) {  
                System.out.println("服务器 run 异常: " + e.getMessage());  
            } finally {  
                if (socket != null) {  
                    try {  
                        socket.close();  
                    } catch (Exception e) {  
                        socket = null;  
                        System.out.println("服务端 finally 异常:" + e.getMessage());  
                    }  
                }  
            } 
        }  
    }  
}  

这里每次收到一个accept链接请求，都会创建一个socket，然后单独一个线程处理socket请求内容。

Socket client = serverSocket.accept();
这句是阻塞的，等待客户端的链接。



二、NIO使用实例

上面分析了传统的Socket IO通信模型，对于高线程消耗的阻塞模式的IO，采用NIO可以解决这些问题，单个的线程处理所有socket请求，以及同一个线程可以处理不同端口socket请求。

但是NIO的问题也相当明显，线程需要一致占用cpu资源去循环查找selector的key值，处理已经准备好的channel。

客户端代码：

public class TCPClient{
	
	public static final String IP_ADDR = "localhost";//服务器地址 
	public static final int PORT_ONE = 1978;
	public static final int PORT = 12345;//服务器端口号  
	
  // 信道选择器
  private Selector selector;
  
  // 与服务器通信的信道
  SocketChannel socketChannel;
  
  // 要连接的服务器Ip地址
  private String hostIp;
  
  // 要连接的远程服务器在监听的端口
  private int hostListenningPort;
  
  public TCPClient(String HostIp,int HostListenningPort, Selector selector)throws IOException{
    this.hostIp=HostIp;
    this.hostListenningPort=HostListenningPort;   
    
    initialize(selector);
  }
  
  /**
   * 初始化
   * @throws IOException
   */
  private void initialize(Selector selector) throws IOException{
    // 打开监听信道并设置为非阻塞模式
    socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(hostIp, hostListenningPort));
    socketChannel.configureBlocking(false);
    
    // 打开并注册选择器到信道
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    
    // 启动读取线程
//    new TCPClientReadThread(selector);
  }
  
  /**
   * 发送字符串到服务器
   * @param message
   * @throws IOException
   */
  public void sendMsg(String message) throws IOException{
    ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap(message.getBytes("UTF-16"));
    socketChannel.write(writeBuffer);
  }
  
  public Selector getSelector(){
	  return selector;
  }
  
  public static void main(String[] args) throws IOException, Throwable{
	    // 打开并注册选择器到信道
    Selector selector = Selector.open();
    TCPClient clientOne = new TCPClient(IP_ADDR,PORT_ONE, selector);
    Thread.sleep(5000); // 段时间内多次创建链接，会出现Address already in use
    TCPClient clientTwo = new TCPClient(IP_ADDR, PORT, selector);
    // 启动读取线程
    new TCPClientReadThread(selector);
    
    clientOne.sendMsg("你好!Nio one!醉里挑灯看剑,梦回吹角连营 我是端口1978");
    clientTwo.sendMsg("你好!Nio tow! 我是端口12345");
  }
}

public class TCPClientReadThread implements Runnable{
  private Selector selector;
  
  public TCPClientReadThread(Selector selector){
    this.selector=selector;
    
    new Thread(this).start();
  }
  
  public void run() {
    try {
      while (selector.select() > 0) {
        // 遍历每个有可用IO操作Channel对应的SelectionKey
        for (SelectionKey sk : selector.selectedKeys()) {
          
          // 如果该SelectionKey对应的Channel中有可读的数据
          if (sk.isReadable()) {
            // 使用NIO读取Channel中的数据
            SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            sc.read(buffer);
            buffer.flip();
            
            // 将字节转化为为UTF-16的字符串   
            String receivedString=Charset.forName("UTF-16").newDecoder().decode(buffer).toString();
            
            // 控制台打印出来
            System.out.println("接收到来自服务器"+sc.socket().getRemoteSocketAddress()+"的信息:"+receivedString);
            
            // 为下一次读取作准备
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
          }
          
          // 删除正在处理的SelectionKey
          selector.selectedKeys().remove(sk);
        }
      }
    } catch (IOException ex) {
      ex.printStackTrace();
    }   
  }
}

这里建立了两个socketchannel，通过不同的端口连接到同一个服务端，利用一个线程处理这两个socket数据，通过selector监听不同的socket。


服务端代码：

public class TCPServer{
  // 缓冲区大小
  private static final int BufferSize = 1024;
  
  // 超时时间，单位毫秒
  private static final int TimeOut = 3000;
  
  // 本地监听端口
  private static final int ListenPort = 1978;
  private static final int listenPortTwo = 12345;
  
  public static void Testmain(String[] args) throws IOException{
    // 创建选择器
    Selector selector = Selector.open();
    
    TCPChannel.openChannel(selector, ListenPort, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    TCPChannel.openChannel(selector, listenPortTwo, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
    // 创建一个处理协议的实现类,由它来具体操作
    TCPProtocol protocol=new TCPProtocolImpl(BufferSize);
     
    // 主线程进行数据的操作
    // 反复循环,等待IO
    while(true){
      // 等待某信道就绪(或超时)
      if(selector.select(TimeOut)==0){ // block
        System.out.print("独自等待.");
        continue;
      }
      
      // 取得迭代器.selectedKeys()中包含了每个准备好某一I/O操作的信道的SelectionKey
      Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
      
      while(keyIter.hasNext()){
        SelectionKey key=keyIter.next();
        
        try{
          if(key.isAcceptable()){
            // 有客户端连接请求时
            protocol.handleAccept(key);
          }
          
          if(key.isReadable()){
            // 从客户端读取数据
            protocol.handleRead(key);
          }
          
          if(key.isValid() && key.isWritable()){
            // 客户端可写时
            protocol.handleWrite(key);
          }
        }
        catch(IOException ex){
          // 出现IO异常（如客户端断开连接）时移除处理过的键
          keyIter.remove();
          continue;
        }
        
        // 移除处理过的键
        keyIter.remove();
      }
    }
  }
}

这里打开多个端口监听，在主线程里通过selector进行监听处理。

public class TCPProtocolImpl implements TCPProtocol{
  private int bufferSize;
  
  public TCPProtocolImpl(int bufferSize){
    this.bufferSize=bufferSize;
  }

  // 建立通道，并注册到selector进行监听
  public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
    SocketChannel clientChannel=((ServerSocketChannel)key.channel()).accept();
    clientChannel.configureBlocking(false);
    clientChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufferSize));
  }

  public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
    // 获得与客户端通信的信道
    SocketChannel clientChannel=(SocketChannel)key.channel();
    
    // 得到并清空缓冲区
    ByteBuffer buffer=(ByteBuffer)key.attachment();
    buffer.clear();
    
    // 读取信息获得读取的字节数
    long bytesRead=clientChannel.read(buffer);
    
    if(bytesRead==-1){
      // 没有读取到内容的情况
      clientChannel.close();
    } else {
      // 将缓冲区准备为数据传出状态
      buffer.flip();
      
      // 将字节转化为为UTF-16的字符串   
      String receivedString=Charset.forName("UTF-16").newDecoder().decode(buffer).toString();
      
      // 控制台打印出来
      System.out.println("接收到来自"+clientChannel.socket().getRemoteSocketAddress()+"的信息:"+receivedString);
      
      // 准备发送的文本
      String sendString="你好,客户端. @"+new Date().toString()+"，已经收到你的信息"+receivedString;
      buffer=ByteBuffer.wrap(sendString.getBytes("UTF-16"));
      clientChannel.write(buffer);
      
      // 设置为下一次读取或是写入做准备
      key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
    }
  }

  public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
    // do nothing
  }
}

public class TCPChannel {	
	
	public static void openChannel(Selector selector, int port, int selectorKey) throws IOException {
		// 打开监听信道
	    ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
	    
	    // 与本地端口绑定
	    listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
	    
	    // 设置为非阻塞模式
	    listenerChannel.configureBlocking(false);
	    
	    // 将选择器绑定到监听信道,只有非阻塞信道才可以注册选择器.并在注册过程中指出该信道可以进行Accept操作
	    listenerChannel.register(selector, selectorKey);
	}

}

NIO里关键要理解selector的工作原理，以及底层实现的方式，与linux的epoll，select，poll的区别。