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happyflyer/Java-NIO

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前置知识

  • Java 基础知识
  • BIO 网络编程知识
  • 多线程编程知识

1. NIO 网络编程模型

1.1. BIO 网络模型

BIO网络模型1

BIO网络模型2

  • 阻塞式 I/O 模型
    • 如果客户端没有发起请求,服务的会一直存在并等待连接
  • 弹性伸缩能力差
    • 每一个对服务端的连接就需要开启一个线程
    • 连接数很可能超过服务器所能负载的最大线程数
  • 多线程耗资源
    • 创建,销毁,维护大量线程以及线程切换都非常消耗系统资源

1.2. NIO 网络模型

NIO网络模型

  • 非阻塞 IO 模型
    • 服务器端提供一个单线程的 selector 来统一管理所有客户端接入的连接
    • 并负责监听每个连接所关心的事件
  • 弹性伸缩能力加强
    • 服务器端一个线程处理所有客户端的连接请求
    • 客户端的个数与服务器端的线程数呈 M 比 1 的关系
  • 单线程节省资源
    • 避免了线程的频繁创建和销毁
    • 同时也避免了多个线程之间上下文的切换,提高了执行效率

2. NIO 网络编程详解

NIO 核心

  • Channel:通道
  • Buffer:缓冲区
  • Selector:选择器或多路复用器

2.1. Channel

特点:

  • 双向性
  • 非阻塞性
  • 操作唯一性

实现:

  • 文件类:FileChannel
  • UDP 类:DatagramChannel
  • TCP 类:ServerSocketChannel / SocketChannel
/*
  代码片段1:服务器端通过服务端socket创建channel
 */
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
/*
  代码片段2:服务器端绑定端口
 */
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));
/*
  代码片段3:服务器端监听客户端连接,建立socketChannel连接
 */
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
/*
  代码片段4:客户端连接远程主机及端口
 */
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(
        new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));

2.2. Buffer

作用:读写 Channel 中数据

本质:一块内存区域

属性:

  • Capacity:容量
  • Position:位置
  • Limit:上限
  • Mark:标记

用法:

/*
  初始化长度为10的byte类型buffer
 */
ByteBuffer.allocate(10);

buffer的allocate方法

/*
  向byteBuffer中写入三个字节
 */
ByteBuffer.put("abc".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));

buffer的put方法

/*
  将byteBuffer从写模式写换到读模式
 */
ByteBuffer.flip();

buffer的flip方法

/*
  从byteBuffer中读取一个字节
 */
ByteBuffer.get();

buffer的get方法

/*
  调用mark方法记录下当前position的位置
 */
ByteBuffer.mark();

buffer的mark方法

/*
  先调用get方法读取下一个字节
  再调用reset方法将position重置到mark位置
 */
ByteBuffer.get();
ByteBuffer.reset();

buffer的reset方法

/*
  调用clear方法,将所有属性重置
 */
ByteBuffer.clear();

bufrfer的clear方法

2.3. Selector

作用:I/O 事件就绪选择

地位:NIO 网络编程的基础之一

/*
  代码片段1,创建Selector
 */
Selector selector = Selector.open();
/*
  代码片段2,将channel注册到selector上,监听读就绪事件
 */
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
/*
  代码片段3,阻塞等待channel有就绪事件发生
 */
int selectNum = selector.select();
/*
  代码片段4,获取发生就绪事件的channel集合
 */
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

SelectionKey 提供四种就绪状态常量:

  • 连接就绪:connect
  • 接受就绪:accept
  • 读就绪:read
  • 写就绪:write

2.4. NIO 编程实现步骤

  • 第一步:创建 Selector
  • 第二步:创建 ServerSocketChannel,并绑定监听端口
  • 第三步:将 Channel 设置为非阻塞模式
  • 第四步:将 Channel 注册到 Selector 上,监听连接事件
  • 第五步:循环调用 Selectorselect 方法,检测就绪情况
  • 第六步:调用 selectedKeys 方法获取就绪 channel 集合
  • 第七步:判断就绪事件种类,调用业务处理方法
  • 第八步:根据业务需要决定是否再次注册监听事件,重复执行第三步操作

3. NIO 网络编程实战

3.1. 服务器端

/*
  1. 创建Selector
 */
Selector selector = Selector.open();
/*
  2. 通过ServerSocketChannel查u你更加爱你channel
 */
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
/*
  3. 为channel绑定监听端口
 */
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));
/*
  4. 设置Channel为非阻塞模式
 */
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
/*
  5. 将Channel注册到Selector上,监听连接事件
 */
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务器端启动成功!");
/*
  6. 循环等待新接入的连接
 */
for (; ; ) {
    /*
      获取可用channel数量
     */
    int readChannels = selector.select();
    if (readChannels == 0) {
        continue;
    }
    /*
      获取可用channel地集合
     */
    Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();
    Iterator iterator = selectionKeySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        /*
          selectionKey实例
         */
        SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();
        /*
          移除Set中当前selectionKey实例
         */
        iterator.remove();
        /*
          7. 根据对应状态,调用对应方法处理业务逻辑
         */
        if (selectionKey.isAcceptable()) {
            /*
              如果是接入事件
             */
            acceptHandler(serverSocketChannel, selector);
        }
        if (selectionKey.isReadable()) {
            /*
              如果是可读事件
             */
            readHandler(selectionKey, selector);
        }
    }
}
private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,
                           Selector selector)
        throws IOException {
    /*
      如果要是接入事件,创建socketChannel
     */
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    /*
      将socketChannel设置为非阻塞工作模式
     */
    socketChannel.configureBlocking(false);
    /*
      将channel注册到selector上,监听可读事件
     */
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    /*
      回复客户端提示信息
     */
    socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8
            .encode("你与聊天室里其他人都不是朋友关系,请注意隐私安全"));
}
private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector)
        throws IOException {
    /*
      要从SelectionKey中获取到已经就绪的channel
     */
    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
    /*
      创建buffer
     */
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    /*
      循环读取客户端请求信息
     */
    StringBuilder request = new StringBuilder();
    while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {
        /*
          切换buffer为读模式
         */
        byteBuffer.flip();
        /*
          读取buffer中的内容
         */
        request.append(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer));
    }
    /*
      将channel再次注册到selector上,监听他的可读事件
     */
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    /*
      将客户端发送的请求信息,广播给其他客户端
     */
    if (request.length() > 0) {
        boardCast(selector, socketChannel, request.toString());
    }
}
private void boardCast(Selector selector, SocketChannel sourceChannel,
                       String request) {
    /*
      获取到所有已接入的客户端channel
     */
    Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys();
    /*
      循环向所有channel广播信息
     */
    selectionKeySet.forEach(selectionKey -> {
        Channel targetChannel = selectionKey.channel();
        /*
          剔除发消息的客户端
         */
        if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != sourceChannel) {
            try {
                /*
                  将消息发送到targetChannel客户端
                 */
                ((SocketChannel) targetChannel).write(StandardCharsets.UTF_8.encode(request));
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
}

3.2. 客户端

/*
  连接服务器端
 */
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(
        new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));
System.out.println("客户端启动成功!");
/*
  接收服务器端响应
  新开线程,专门负责来接收服务器端的响应数据
  selector socketChannel 注册
 */
Selector selector = Selector.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
new Thread(new NioClientHandler(selector)).start();
/*
  向服务器端发送数据
 */
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
    String request = scanner.nextLine();
    if (request != null && request.length() > 0) {
        socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8.encode(nickname   " : "   request));
    }
}
for (; ; ) {
    int readChannels = selector.select();
    if (readChannels == 0) {
        continue;
    }
    Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();
    Iterator iterator = selectionKeySet.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();
        iterator.remove();
        if (selectionKey.isReadable()) {
            readHandler(selectionKey, selector);
        }
    }
}
private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector)
        throws IOException {
    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    StringBuilder response = new StringBuilder();
    while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {
        byteBuffer.flip();
        response.append(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer));
    }
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    if (response.length() > 0) {
        System.out.println(response);
    }
}

4. NIO 网络编程缺陷

  • 麻烦
    • NIO 类库和 API 繁杂
  • 心累
    • 可靠性能力补齐,工作量和难度都非常大
  • 有坑
    • Selector 空轮询,导致 CPU 占用率 100%

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Packages

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