Java NIO服务器端开发详解

一、NIO类库简介

　　1、缓冲区Buffer

　　Buffer是一个对象，包含一些要写入和读出的数据。

　　在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理的，读取数据时，它是从通道(Channel)直接读到缓冲区中，在写入数据时，也是从缓冲区写入到通道。

　　缓冲区实质上是一个数组，通常是一个字节数组(ByteBuffer)，也可以是其它类型的数组，此外缓冲区还提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

　　Buffer类的继承关系如下图所示：

2、通道Channel

　　Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。通道和流的不同之处在于通道是双向的(通道可以用于读、写后者二者同时进行)，流只是在一个方向上移动。

　　Channel大体上可以分为两类：用于网络读写的SelectableChannel(ServerSocketChannel和SocketChannel就是其子类)、用于文件操作的FileChannel。

　　下面的例子给出通过FileChannel来向文件中写入数据、从文件中读取数据，将文件数据拷贝到另一个文件中：

public class NioTest
{
  public static void main(String[] args) throws IOException
  {
    copyFile();
  }
  //拷贝文件
  private static void copyFile()
  {
    FileInputStream in=null;
    FileOutputStream out=null;
    try
    {
      in=new FileInputStream("src/main/java/data/in-data.txt");
      out=new FileOutputStream("src/main/java/data/out-data.txt");
      FileChannel inChannel=in.getChannel();
      FileChannel outChannel=out.getChannel();
      ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
      int bytesRead = inChannel.read(buffer);
      while (bytesRead!=-1)
      {
        buffer.flip();
        outChannel.write(buffer);
        buffer.clear();
        bytesRead = inChannel.read(buffer);
      }
    }
    catch (FileNotFoundException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    } catch (IOException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
  //写文件
  private static void writeFileNio()
  {
    try
    {
      RandomAccessFile fout = new RandomAccessFile("src/main/java/data/nio-data.txt", "rw");
      FileChannel fc=fout.getChannel();
      ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
      buffer.put("hi123".getBytes());
      buffer.flip();
      try
      {
        fc.write(buffer);
      } catch (IOException e)
      {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
      }
    }
    catch (FileNotFoundException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
  //读文件
  private static void readFileNio()
  {
    FileInputStream fileInputStream;
    try
    {
      fileInputStream = new FileInputStream("src/main/java/data/nio-data.txt");
      FileChannel fileChannel=fileInputStream.getChannel();//从 FileInputStream 获取通道
      ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建缓冲区
      int bytesRead=fileChannel.read(byteBuffer);//将数据读到缓冲区
      while(bytesRead!=-1)
      {
        /*limit=position
         * position=0;
         */
        byteBuffer.flip();
        //hasRemaining():告知在当前位置和限制之间是否有元素
        while (byteBuffer.hasRemaining())
        {
          System.out.print((char) byteBuffer.get());
        }
        /*
         * 清空缓冲区
         * position=0;
         * limit=capacity;
         */
        byteBuffer.clear();
        bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
      }
    } catch (FileNotFoundException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    } catch (IOException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

3、多路复用器Selector

　　多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。Selector会不断的轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发送读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。

　　一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll代替了传统的select实现，所以它没有最大连接句柄1024/2048的限制，意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。其模型如下图所示：

用单线程处理一个Selector。要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

　　注：

　　1、什么select模型？

　　select是事件触发机制，当等待的事件发生就触发进行处理，多用于Linux实现的服务器对客户端的处理。

　　可以阻塞地同时探测一组支持非阻塞的IO设备，是否有事件发生(如可读、可写，有高优先级错误输出等)，直至某一个设备触发了事件或者超过了指定的等待时间。也就是它们的职责不是做IO，而是帮助调用者寻找当前就绪的设备。

　　2、什么是epoll模型？

　　epoll的设计思路，是把select/poll单个的操作拆分为1个epoll_create+多个epoll_ctrl+一个wait。此外，内核针对epoll操作添加了一个文件系统”eventpollfs”，每一个或者多个要监视的文件描述符都有一个对应的eventpollfs文件系统的inode节点，主要信息保存在eventpoll结构体中。而被监视的文件的重要信息则保存在epitem结构体中。所以他们是一对多的关系。

二、NIO服务器端开发

　　功能说明：开启服务器端，对每一个接入的客户端都向其发送hello字符串。

　　使用NIO进行服务器端开发主要有以下几个步骤：

　　1、创建ServerSocketChannel，配置它为非阻塞模式

  serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
  serverSocketChannel.configureBlocking(false);

　　2、绑定监听，配置TCP参数，如backlog大小

  serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

　　3、创建一个独立的I/O线程，用于轮询多路复用器Selector

　　4、创建Selector，将之前创建的ServerSocketChannel注册到Selector上，监听SelectionKey.ACCEPT

　 selector=Selector.open();
  serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　5、启动I/O线程，在循环体内执行Selector.select()方法，轮询就绪的Channel

while(true)
  {
    try
    {
      //select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
      //如果没有准备好的channel,就在这一直阻塞
      //select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
      selector.select();
    }
    catch (IOException e)
    {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
      break;
     }
　}

　　6、当轮询到了处于就绪状态的Channel时，需对其进行判断，如果是OP_ACCEPT状态，说明是新的客户端接入，则调用ServerSocketChannel.accept()方法接受新的客户端

//返回已经就绪的SelectionKey，然后迭代执行
      Set<SelectionKey> readKeys=selector.selectedKeys();
      for(Iterator<SelectionKey> it=readKeys.iterator();it.hasNext();)
      {
        SelectionKey key=it.next();
        it.remove();
        try
        {
          if(key.isAcceptable())
          {
            ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client=server.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
          }
          else if(key.isWritable())
          {
            SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
            String str="hello";
            buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
            client.write(buffer);
            key.cancel();
          }
        }catch(IOException e)
        {
          e.printStackTrace();
          key.cancel();
          try
          {
            key.channel().close();
          } catch (IOException e1)
          {
            // TODO Auto-generated catch block
            e1.printStackTrace();
          }

        }
      }

　7、设置新接入的客户端链路SocketChannel为非阻塞模式，配置其他的一些TCP参数

if(key.isAcceptable())
  {
    ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
    SocketChannel client=server.accept();
    client.configureBlocking(false);
    ...
  }

　　8、将SocketChannel注册到Selector，监听OP_WRITE

　　client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);

　　9、如果轮询的Channel为OP_WRITE，则说明要向SockChannel中写入数据，则构造ByteBuffer对象，写入数据包

else if(key.isWritable())
  {
    SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
    String str="hello";
    buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
    client.write(buffer);
    key.cancel();
  }

　完整代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class ServerSocketChannelDemo
{
	public static void main(String[] args)
	  {
		ServerSocketChannel serverSocketChannel;
		Selector selector=null;
		try
		    {
			serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
			serverSocketChannel.configureBlocking(false);
			serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
			selector=Selector.open();
			serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		}
		catch (IOException e)
		    {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		while(true)
		    {
			try
			      {
				//select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
				//如果没有准备好的channel,就在这一直阻塞
				//select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
				selector.select();
			}
			catch (IOException e)
			      {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
				break;
			}
			//返回已经就绪的SelectionKey，然后迭代执行
			Set<SelectionKey> readKeys=selector.selectedKeys();
			for (Iterator<SelectionKey> it=readKeys.iterator();it.hasNext();)
			      {
				SelectionKey key=it.next();
				it.remove();
				try
				        {
					if(key.isAcceptable())
					          {
						ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel) key.channel();
						SocketChannel client=server.accept();
						client.configureBlocking(false);
						client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
					} else if(key.isWritable())
					          {
						SocketChannel client=(SocketChannel) key.channel();
						ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(20);
						String str="hello";
						buffer=ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
						client.write(buffer);
						key.cancel();
					}
				}
				catch(IOException e)
				        {
					e.printStackTrace();
					key.cancel();
					try
					          {
						key.channel().close();
					}
					catch (IOException e1)
					          {
						// TODO Auto-generated catch block
						e1.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}
	}
}

我们用telnet localhost 8080模拟出多个客户端：

程序运行结果如下：

总结

以上就是本文关于Java NIO服务器端开发详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！