NIO,BIO,AIO,JAVA通讯编程学习笔记 2

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本文介绍了Java NIO的基本概念，包括缓冲区(Buffer)、通道(Channel)和多路复用器(Selector)的工作原理，并通过示例代码展示了服务器端与客户端如何使用NIO进行高效的数据传输。

NIO的基本概念

新的输入/输出(NIO)库是在JDK 1.4中引入的。NIO弥补了原来的I/O的不足，它在标准Java代码中提供了高速的、面向块的I/O。
原来的I/O库与NIO最重要的区别是数据打包和传输的方式的不同，原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

1.缓冲区：
   Buffer是一个容器对象，它包含一些要写入或者刚读出的数据。在NIO中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，您将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中。
   在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，它是写入到缓冲区中的。任何时候访问NIO中的数据，您都是将它放到缓冲区中。
   缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。
   最常用的缓冲区类型是ByteBuffer。一个ByteBuffer可以在其底层字节数组上进行get/set操作(即字节的获取和设置)。
   ByteBuffer不是NIO中唯一的缓冲区类型。事实上，对于每一种基本Java类型都有一种缓冲区类型：
   ByteBuffer
   CharBuffer
   ShortBuffer
   IntBuffer
   LongBuffer
   FloatBuffer
   DoubleBuffer

2.通道channel

Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动(一个流必须是InputStream或者OutputStream的之类)，而通道可以用于读、写或者两者同时进行。

因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好的映射底层操作系统API。特别是在Unix网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

3.多路复用器Selector

多路复用器Selector，它是Java NIO编程的基础，熟练地掌握Selector对于掌握NIO编程至关重要。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，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。

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

a.为什么使用Selector

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。
但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

NIO编程的代码例子如下：

===================================================================

package NIO;

import java.io.IOException;

public class TimeServer {

    /**
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
   int port = 8480;
   if (args != null && args.length > 0) {
        try {
       port = Integer.valueOf(args[0]);
        } catch (NumberFormatException e) {
       // 采用默认值
        }
   }
   MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
   new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    }
}

===================================================================

package NIO;

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 MultiplexerTimeServer implements Runnable {

    private Selector selector;

    private ServerSocketChannel servChannel;

    private volatile boolean stop;

    /**
     * 初始化多路复用器、绑定监听端口
     *
     * @param port
     */
    public MultiplexerTimeServer(int port) {
   try {
        selector = Selector.open();
        servChannel = ServerSocketChannel.open();
        servChannel.configureBlocking(false);
        servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);
        servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("The time server is start in port : " + port);
   } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
   }
    }

    public void stop() {
   this.stop = true;
    }

    /*
     * (non-Javadoc)
     *
     * @see java.lang.Runnable#run()
     */
    @Override
    public void run() {
   while (!stop) {
        try {
       selector.select(1000);
       Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
       Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
       SelectionKey key = null;
       while (it.hasNext()) {
            key = it.next();
            it.remove();
            try {
           handleInput(key);
            } catch (Exception e) {
           if (key != null) {
                key.cancel();
                if (key.channel() != null)
               key.channel().close();
           }
            }
       }
        } catch (Throwable t) {
       t.printStackTrace();
        }
   }

   // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
   if (selector != null)
        try {
       selector.close();
        } catch (IOException e) {
       e.printStackTrace();
        }
    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {

   if (key.isValid()) {
        // 处理新接入的请求消息
        if (key.isAcceptable()) {
       // Accept the new connection
       ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
       SocketChannel sc = ssc.accept();
       sc.configureBlocking(false);
       // Add the new connection to the selector
       sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        if (key.isReadable()) {
       // Read the data
       SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
       ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
       int readBytes = sc.read(readBuffer);
       if (readBytes > 0) {
            readBuffer.flip();
            byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
            readBuffer.get(bytes);
            String body = new String(bytes, "UTF-8");
            System.out.println("NIO The time server receive order : "
                + body);
            String currentTime = "QUERY TIME ORDER"
                .equalsIgnoreCase(body) ? new java.util.Date(
                System.currentTimeMillis()).toString()
                : "BAD ORDER";
            doWrite(sc, currentTime);
       } else if (readBytes < 0) {
            // 对端链路关闭
            key.cancel();
            sc.close();
       } else
            ; // 读到0字节，忽略
        }
   }
    }

    private void doWrite(SocketChannel channel, String response)
        throws IOException {
   if (response != null && response.trim().length() > 0) {
        byte[] bytes = response.getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
        writeBuffer.put(bytes);
        writeBuffer.flip();
        channel.write(writeBuffer);
   }
    }
}

客户端代码例子：

package NIO;

public class TimeClient {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

   int port = 8480;
   if (args != null && args.length > 0) {
        try {
       port = Integer.valueOf(args[0]);
        } catch (NumberFormatException e) {
       // 采用默认值
        }
   }
   new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001")
       .start();
    }
}

===================================================================

package NIO;

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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class TimeClientHandle implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean stop;

    public TimeClientHandle(String host, int port) {
   this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
   this.port = port;
   try {
        selector = Selector.open();
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
   } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
   }
    }

    /*
     * (non-Javadoc)
     *
     * @see java.lang.Runnable#run()
     */
    @Override
    public void run() {
   try {
        doConnect();
   } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
   }
   while (!stop) {
        try {
       selector.select(1000);
       Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
       Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
       SelectionKey key = null;
       while (it.hasNext()) {
            key = it.next();
            it.remove();
            try {
           handleInput(key);
            } catch (Exception e) {
           if (key != null) {
                key.cancel();
                if (key.channel() != null)
               key.channel().close();
           }
            }
       }
        } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
       System.exit(1);
        }
   }

   // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
   if (selector != null)
        try {
       selector.close();
        } catch (IOException e) {
       e.printStackTrace();
        }
    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {

   if (key.isValid()) {
        // 判断是否连接成功
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        if (key.isConnectable()) {
       if (sc.finishConnect()) {
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(sc);
       } else
            System.exit(1);// 连接失败，进程退出
        }
        if (key.isReadable()) {
       ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
       int readBytes = sc.read(readBuffer);
       if (readBytes > 0) {
            readBuffer.flip();
            byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
            readBuffer.get(bytes);
            String body = new String(bytes, "UTF-8");
            System.out.println("Now is : " + body);
            this.stop = true;
       } else if (readBytes < 0) {
            // 对端链路关闭
            key.cancel();
            sc.close();
       } else
            ; // 读到0字节，忽略
        }
   }

    }

    private void doConnect() throws IOException {
   // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
   if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        doWrite(socketChannel);
   } else
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
   byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
   ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
   writeBuffer.put(req);
   writeBuffer.flip();
   sc.write(writeBuffer);
   if (!writeBuffer.hasRemaining())
        System.out.println("Send order 2 server succeed.");
    }
}