Java Socket NIO

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基础

NIO:Non-Blocking IO 非阻塞 IO，主要用于网络连接中非阻塞的读写，提供多路非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。异步 I/O 的一个优势在于，可以同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常需要轮询，或者创建很多线程处理大量的连接。使用异步 I/O，可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询也不用额外的线程。

Selector

选择器：是 Java NIO 中能够检测一到多个 NIO 通道，是多路复用器，能够监听通道是否为读写事件做好准备。因此一个单独的线程可以管理多个通道，从而管理多个网络连接。
Selector 用来支持异步 I/O 操作（非阻塞I/O操作），Channel 必须处于非阻塞模式下（因此 FileChannel, Selector 不能一起使用）。Selector 是非阻塞 I/O 的核心，所有希望采用非阻塞 I/O 进行通信的通道，都应该注册到 Selector 对象。

SelectionKey

SelectionKey 包含监听的不同类型事件：

  • OP_READ
  • OP_WRITE
  • OP_CONNECT
  • OP_ACCEPT

常用 API 

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    public abstract class SelectionKey {
    // 获取 channel 
    public abstract SelectableChannel channel();
    // 获取 Selector  
    public abstract Selector selector();
    // 获取注册的监听事件集合
    public abstract int interestOps();
    // 更换监听事件
    public abstract SelectionKey interestOps(int ops);
    // 获取已经 ready 了的事件集合
    public abstract int readyOps();
    // 取消监听的事件
    public abstract void cancel();
    // 判断事件
    public final boolean isReadable() {...}
    public final boolean isWritable() {...}
    public final boolean isConnectable() {...}
    public final boolean isAcceptable() {...}
    // 添加附加对象
    public final Object attach(Object ob) {...}
    // 获取附件对象
    public final Object attachment() {...}
}

常用 API

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    public abstract class Selector implements Closeable {
    // 创建 Selector
    public static Selector open() throws IOException {...}
    public abstract boolean isOpen();
    
    // 返回所有的注册事件集
    public abstract Set<SelectionKey> keys();
    // 返回 select 已经就绪的注册事件集
    public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys();
    
    // 非阻塞，如果监听事件没准备好立即返回 0
    public abstract int selectNow() throws IOException;
    // 阻塞等待直到注册事件准备好，返回监听的事件
    public abstract int select(long timeout) throws IOException;
    public abstract int select() throws IOException;
    
    // 如果 select 阻塞了，直接唤醒 select 立马返回
    public abstract Selector wakeup();
    // 关闭
    public abstract void close() throws IOException;
}

SelectableChannel 支持选择器的通道

表示可以支持多路复用的通道，支持阻塞和非阻塞模式。（默认情况下，所有的 Channel 都是阻塞的），需要设置为非阻塞模式，才能使用 NIO 特性。

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public abstract class SelectableChannel
    extends AbstractInterruptibleChannel
    implements Channel {
    // false 表示设置为非阻塞模式
    public abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
        throws IOException;
    // 判断是否为阻塞模式  
    public abstract boolean isBlocking();
    // 注册选择器
    public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
        throws ClosedChannelException;
    public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
        throws ClosedChannelException {...}
    // 通道是否注册一个或多个选择器
    public abstract boolean isRegistered();
    // 返回通道和该选择器的注册关系
    public abstract SelectionKey keyFor(Selector sel);
}

注册通道

通道必须处于非阻塞模式，可以监听多个事件。 

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channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);
// 监听多个事件
int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;
SelectionKey key = channel.register(selector, interestSet);

参考示例

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Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;
  Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
  while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
    keyIterator.remove();
  }
}

SocketChannel

对应于 java.net.Socket 类。

创建 SocketChannel

默认创建一个阻塞 SocketChannel，两种方法的差异：

  • open()
    后续还需要手动配置为非阻塞后，监听连接事件。
  • open(SocketAddress remote)
    创建并同步等待连接 remote，直到连接成功后返回。不需要再手动连接。

支持的非阻塞事件

  • OP_CONNECT
  • OP_READ
  • OP_WRITE

不支持 Accept 事件

常见 API

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public abstract class SocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, 
    GatheringByteChannel, NetworkChannel {
    // 创建 SocketChannel
    public static SocketChannel open() throws IOException {...}
    // 创建 SocketChannel ，同步等待连接 remote
    public static SocketChannel open(SocketAddress remote)
            throws IOException;
    
    // 绑定
    public abstract SocketChannel bind(SocketAddress local)
            throws IOException;
    // 连接，非阻塞模式会直接返回连接结果；阻塞模式会等待直到连接成功
    public abstract boolean connect(SocketAddress remote) throws IOException;
    // 完成连接，非阻塞模式直接返回连接是否完成；阻塞模式会等待直到连接完成
    public abstract boolean finishConnect() throws IOException;
    // 当前通道是否已经连接
    public abstract boolean isConnected();
    // 当前通道是否正在连接，一般是第一次连接后调用
    // 用来判断是否正在连接，并接着调用 finishConnect
    public abstract boolean isConnectionPending();
    // 设置 socket 选项
    public abstract <T> SocketChannel setOption(SocketOption<T> name, T value)
            throws IOException;
    
    // 获取当前 socket
    public abstract Socket socket();
    // 获取源地址和端口，目标地址和端口
    public abstract SocketAddress getRemoteAddress() throws IOException;
    public abstract SocketAddress getLocalAddress() throws IOException;
    
    // 通道读写缓存
    public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
    public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
            throws IOException;
    public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException {...}
    public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException;
    public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
            throws IOException;
    public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException {...}
    
    // 返回支持的 SelectionKey 事件
    public final int validOps() {...}
    
    // 关闭通道的读功能
    public abstract SocketChannel shutdownInput() throws IOException;
    // 关闭通道的写功能
    public abstract SocketChannel shutdownOutput() throws IOException;
}

ServerSocketChannel

对应于 java.net.ServerSocket 类。

创建 ServerSocketChannel

创建 ServerSocketChannel 也很简单：ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

支持的非阻塞事件

仅支持 OP_ACCEPT 事件。

常见 API

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public abstract class ServerSocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements NetworkChannel {
    // 创建 ServerSocketChannel
    public static ServerSocketChannel open() throws IOException {...}
    // 返回支持的事件
    public final int validOps() {...}
    // 绑定
    public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)
        throws IOException{...}
    public abstract ServerSocketChannel bind(SocketAddress local, int backlog)
        throws IOException;
    // 设置 socket 选项
    public abstract <T> ServerSocketChannel setOption(SocketOption<T> name, T value)
        throws IOException;
    // 获取当前 socket
    public abstract ServerSocket socket();
    // 监听连接，非阻塞模式下立即返回
    public abstract SocketChannel accept() throws IOException;
    // 获取源地址和端口
    public abstract SocketAddress getLocalAddress() throws IOException;
}

客户端和服务端 TCP 通信流程

整个通信流程参考 TCP 通信流程，只是实现方式不一样。本例实现一个聊天室功能。

服务端初始化

  • 创建 Selector
    public static Selector open() throws IOException;，创建选择器。
  • 创建 ServerSocketChannel
    public static ServerSocketChannel open() throws IOException;，创建服务端通道，并配置为非阻塞。
  • 绑定 bind
    public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local){...}，绑定指定地址和端口。
  • 注册 Accept 事件
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);，注册后服务端选择器开始监听客户端的连接。

服务端轮询监听并处理事件

selector.select()，阻塞等待。监听客户端的连接及输入，从这里可以看出 nio 并不完全是异步，还是会有阻塞。

客户端初始化

  • 创建 Selector
    public static Selector open() throws IOException;，创建选择器。
  • 创建 SocketChannel
    public static SocketChannel open() throws IOException;，创建客户端通道，并配置为非阻塞。
  • 注册 Connect 事件
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);，注册事件后准备连接。
  • 连接 connect
    public abstract boolean connect(SocketAddress remote) throws IOException;，连接服务器。

客户端轮询监听并处理事件

selector.select()，阻塞等待。监听服务端反馈和输入。

数据通信

  • 服务端接受连接后监听客户端写入
    服务端接受客户端连接后，拿到客户端 SocketChannel，并同步注册 Read 事件，监听客户端输入。通过该通道读写缓冲区实现数据通信。
  • 客户端监听服务端发送的消息
    客户端接受到服务端连接响应后，客户端 SocketChannel 注册 Read 事件，监听该通道来自服务端的输入。

服务端和客户端关闭

客户端和服务端分别关闭 Selector, ServerSocketChannel, SocketChannel。

服务端存在的问题：客户端的 SocketChannel 关闭后，服务端此通道并没有断开连接，并且该通道注册到选择器的读事件，会被反复触发。也就是说服务端 select 一直都会返回 OP_READ，但是通道中读入缓冲区的数据实际总是为 -1，即并没有数据。为什么会反复触发？

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// 服务端打印信息，服务端 10000，客户端 62676
client: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:10000
        remote=/127.0.0.1:62676]
client.isOpen(): true
client.isConnected(): true
client.isConnectionPending(): false
client.isRegistered(): true
// 1 表示为 OP_READ 事件
client.keyFor(selector).interestOps(): 1
client.keyFor(selector).readyOps(): 1
// 通道读入缓冲区实际值为 -1，即没有数据
count: -1

TCP 通信示例

本例实现一个聊天室功能。

服务端

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public class TestNIOTCPServer {

    // private static final String HOST_NAME = "127.0.0.1";
    private static final int PORT = 10000;
    private static final int BUFF_CAP = 1024;

    private Selector selector = null;
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
    // 输入信息编解码器
    private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
    // 接收信息缓冲区
    private ByteBuffer rBuffer = ByteBuffer.allocate(BUFF_CAP);

    /**
     * 服务端通道和选择器初始化，绑定端口，配置为非阻塞，并开启监听连接
     * @throws IOException
     */
    private void init() throws IOException{
        selector = Selector.open();
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress localAddress = new InetSocketAddress(PORT);
        serverSocketChannel.bind(localAddress);
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("server start on port: " + PORT);
    }

    /**
     * 服务器轮询监听通道，select 会阻塞直到监听到事件
     */
    private void listen(){
        System.out.println("listen...");
        try {
            while (selector.select() > 0){
                for (SelectionKey selectionKey : selector.selectedKeys()){
                    handleSelectorKey(selectionKey);
                }
                // 清空已经处理的事件
                selector.selectedKeys().clear();
            }
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (serverSocketChannel != null) {
                    serverSocketChannel.close();
                }
                if (selector != null){
                    selector.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 处理接收到的事件
     * @param selectionKey: 接收到的事件
     * @throws IOException
     */
    private void handleSelectorKey (SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        System.out.println("handleSelectorKey, key = " + selectionKey.readyOps());
        if (selectionKey.isAcceptable()){
            // 选择器监听到客户端连接
            SocketChannel client = serverSocketChannel.accept();
            client.configureBlocking(false);
            // 接收客户端连接后，客户端注册通道读事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            System.out.println(client.getRemoteAddress() + " connected.");
        }
        if (selectionKey.isReadable()){
            // 选择器监听到客户端通道写入
            SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            rBuffer.clear();
            int count = 0;

//            System.out.println("client: " + client.toString());
//            System.out.println("opened: " + client.isOpen());
//            System.out.println("connected: " + client.isConnected());
//            System.out.println("connectionPending: " + client.isConnectionPending());
//            System.out.println("isRegistered: " + client.isRegistered());
//            System.out.println("interest keys: " + client.keyFor(selector).interestOps());
//            System.out.println("ready keys: " + client.keyFor(selector).readyOps());

            try {
                // 通道读入缓冲区
                while ((count = client.read(rBuffer)) > 0){
                    rBuffer.flip();
                    builder.append(charset.decode(rBuffer));
                }
                System.out.println(client.toString() + ":" + builder);
                if (count < 0){
                    // 当客户端退出时，服务端的 socket 通道仍然打开并处于连接状态
                    // 服务端的 select 一直会被触发，但是读取的结果一直是 -1
                    // 所以可以认为此时客户端已经断开，读取结束后关闭通道，使 key 失效
                    System.out.println(client.toString() + " has been closed.");
                    selectionKey.cancel();
                    if (client != null){
                        client.close();
                    }
                }
            } catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
                // 读取异常，可能是客户端已经断开连接，关闭该通道
                System.out.println(client.toString() + " disconnected.");
                selectionKey.cancel();
                if (client != null){
                    client.close();
                }
            }
            if (builder.length() > 0){
                dispatchInfoToAllClient(client, builder.toString());
            }
        }
    }

    /**
     * 当前客户端输入信息，广播到其他客户端
     * @param client: 接收到输入信息的当前客户端
     * @param info: 接收到的信息
     * @throws IOException: 其他客户端写入异常
     */
    private void dispatchInfoToAllClient(SocketChannel client, String info) throws IOException {
        // System.out.println("dispatchInfoToAllClient, info = " + info);
        String name = "[" + client.getRemoteAddress() + "-" + client.hashCode() + "]";
        for (SelectionKey key : selector.keys()){
            Channel targetChannel = key.channel();
            if (targetChannel instanceof SocketChannel){
                SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
                if (!client.equals(dest)) {
                    // 通道写入缓冲区
                    dest.write(charset.encode(name + ":" + info));
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestNIOTCPServer server = new TestNIOTCPServer();
        server.init();
        server.listen();
    }
}

客户端

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public class TestNIOTCPClient {

    private static final String HOST_NAME = "127.0.0.1";
//    private static final String HOST_NAME = "10.20.6.25";
    private static final int PORT = 10000;
    private static final int BUFF_CAP = 1024;

    private Selector selector = null;
    private SocketChannel client = null;
    // 通道读写信息编解码器
    private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");

    // 缓冲区，读取服务端写入的信息
    ByteBuffer rBuffer = ByteBuffer.allocate(BUFF_CAP);
    private volatile boolean isQuit = false;

    /**
     * 客户端通道，选择器初始化，连接到指定服务器，并监听连接事件
     * 开启后台线程读取屏幕输入信息，写入服务器
     * @throws IOException
     */
    private void init() throws IOException {
        selector = Selector.open();
        client = SocketChannel.open();
        client.configureBlocking(false);
        client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        InetSocketAddress remote = new InetSocketAddress(HOST_NAME, PORT);
        client.connect(remote);

        // 开启线程读取客户端输入
        ReadThread readThread = new ReadThread();
        readThread.setDaemon(true);
        readThread.start();
    }

    /**
     * 客户端轮询监听通道，当事件到达后处理事件
     * 如果输入 exit/quit ，客户端退出
     */
    private void listen(){
        try {
            while (selector.select() > 0 && !isQuit){
                for (SelectionKey selectionKey : selector.selectedKeys()){
                    handleSelectionKey(selectionKey);
                }
                selector.selectedKeys().clear();
            }
            System.out.println("listen: quit...");
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (selector != null){
                    System.out.println("close selector");
                    selector.close();
                }
                if (client != null){
                    System.out.println("close client");
                    client.close();
                }
            } catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 处理监听到的事件
     * @param selectionKey
     * @throws IOException
     */
    private void handleSelectionKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        if (selectionKey.isConnectable()){
            // SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            System.out.println("connected: " + client.isConnected());
            System.out.println("connectionPending: " + client.isConnectionPending());
            if (client.isConnectionPending()){
                client.finishConnect();
                System.out.println("connected: " + client.getRemoteAddress());

                // 客户端连接成功后，注册通道读事件，读取从服务端写入的数据
                client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
        }
        if (selectionKey.isReadable()){
            // 选择器监听到服务端写入事件，读取后显示在客户端
            //SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            rBuffer.clear();
            while (client.read(rBuffer) > 0){
                rBuffer.flip();
                builder.append(charset.decode(rBuffer));
            }
            System.out.println(builder);
        }
    }

    /**
     * 读取屏幕输入的线程
     */
    private class ReadThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            try {
                while (scanner.hasNextLine()) {
                    String line = scanner.nextLine();
                    if (isQuited(line)) {
                        scanner.close();
                        isQuit = true;
                        selector.wakeup();
                        break;
                    } else {
                        client.write(charset.encode(line));
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 判断是否退出
     * @param value
     * @return
     */
    private boolean isQuited(String value) {
        value = value.trim();
        return value.equalsIgnoreCase("quit")
                || value.equalsIgnoreCase("exit");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestNIOTCPClient client = new TestNIOTCPClient();
        client.init();
        client.listen();
    }
}

DatagramChannel

[todo]
http://ifeve.com/datagram-channel/
http://blog.csdn.net/foart/article/details/47608475
http://www.365mini.com/page/java-nio-course-27.htm
网络编程第四版-425

参考文档

  1. Java NIO系列教程
  2. java nio SocketChannel 服务器端与多客户端信息交互（聊天功能）
  3. 疯狂 Java 讲义
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