【Java TCP/IP Socket】基于NIO的TCP通信(含代码)

 NIO主要原理及使用

NIO采取通道(Channel)和缓冲区(Buffer)来传输和保存数据,它是非阻塞式的I/O,即在等待连接、读写数据(这些都是在一线程以客户端的程序中会阻塞线程的操作)的时候,程序也可以做其他事情,以实现线程的异步操作。

考虑一个即时消息服务器,可能有上千个客户端同时连接到服务器,但是在任何时刻只有非常少量的消息需要读取和分发(如果采用线程池或者一线程一客户端方式,则会非常浪费资源),这就需要一种方法能阻塞等待,直到有一个信道可以进行I/O操作。NIO的Selector选择器就实现了这样的功能,一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态,它就类似一个观察者,只要我们把需要探知的SocketChannel告诉Selector,我们接着做别的事情,当有事件(比如,连接打开、数据到达等)发生时,它会通知我们,传回一组SelectionKey,我们读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的SocketChannel,然后,我们从这个Channel中读取数据,接着我们可以处理这些数据。

Selector内部原理实际是在做一个对所注册的Channel的轮询访问,不断的轮询(目前就这一个算法),一旦轮询到一个Channel有所注册的事情发生,比如数据来了,它就会读取Channel中的数据,并对其进行处理。

要使用选择器,需要创建一个Selector实例,并将其注册到想要监控的信道上(通过Channel的方法实现)。最后调用选择器的select()方法,该方法会阻塞等待,直到有一个或多个信道准备好了I/O操作或等待超时,或另一个线程调用了该选择器的wakeup()方法。现在,在一个单独的线程中,通过调用select()方法,就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作,由于非阻塞I/O的异步特性,在检查的同时,我们也可以执行其他任务。

基于NIO的TCP连接的建立步骤

服务端

1、传建一个Selector实例;

2、将其注册到各种信道,并指定每个信道上感兴趣的I/O操作;

3、重复执行:

1)调用一种select()方法;

2)获取选取的键列表;

3)对于已选键集中的每个键:

a、获取信道,并从键中获取附件(如果为信道及其相关的key添加了附件的话);

b、确定准备就绪的操纵并执行,如果是accept操作,将接收的信道设置为非阻塞模式,并注册到选择器;

c、如果需要,修改键的兴趣操作集;

d、从已选键集中移除键

客户端

与基于多线程的TCP客户端大致相同,只是这里是通过信道建立的连接,但在等待连接建立及读写时,我们可以异步地执行其他任务。

   基于NIO的TCP通信Demo

下面给出一个基于NIO的TCP通信的Demo,客户端发送一串字符串到服务端,服务端将该字符串原原本本地反馈给客户端。

客户端代码及其详细注释如下:

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class TCPEchoClientNonblocking {
	public static void main(String args[]) throws Exception{
		if ((args.length < 2) || (args.length > 3)) 
		throw new IllegalArgumentException("参数不正确");
		//第一个参数作为要连接的服务端的主机名或IP
		String server = args[0]; 
		//第二个参数为要发送到服务端的字符串
		byte[] argument = args[1].getBytes();
		//如果有第三个参数,则作为端口号,如果没有,则端口号设为7
		int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 7;
		//创建一个信道,并设为非阻塞模式
		SocketChannel clntChan = SocketChannel.open();
		clntChan.configureBlocking(false);
		//向服务端发起连接
		if (!clntChan.connect(new InetSocketAddress(server, servPort))){
			//不断地轮询连接状态,直到完成连接
			while (!clntChan.finishConnect()){
				//在等待连接的时间里,可以执行其他任务,以充分发挥非阻塞IO的异步特性
				//这里为了演示该方法的使用,只是一直打印"."
				System.out.print(".");  
			}
		}
		//为了与后面打印的"."区别开来,这里输出换行符
		System.out.print("\n");
		//分别实例化用来读写的缓冲区
		ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(argument);
		ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(argument.length);
		//接收到的总的字节数
		int totalBytesRcvd = 0; 
		//每一次调用read()方法接收到的字节数
		int bytesRcvd; 
		//循环执行,直到接收到的字节数与发送的字符串的字节数相等
		while (totalBytesRcvd < argument.length){
			//如果用来向通道中写数据的缓冲区中还有剩余的字节,则继续将数据写入信道
			if (writeBuf.hasRemaining()){
				clntChan.write(writeBuf);
			}
			//如果read()接收到-1,表明服务端关闭,抛出异常
			if ((bytesRcvd = clntChan.read(readBuf)) == -1){
				throw new SocketException("Connection closed prematurely");
			}
			//计算接收到的总字节数
			totalBytesRcvd += bytesRcvd;
			//在等待通信完成的过程中,程序可以执行其他任务,以体现非阻塞IO的异步特性
			//这里为了演示该方法的使用,同样只是一直打印"."
			System.out.print("."); 
		}
		//打印出接收到的数据
		System.out.println("Received: " +  new String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));
		//关闭信道
		clntChan.close();
	}
}

服务端用单个线程监控一组信道,代码如下:

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class TCPServerSelector{
	//缓冲区的长度
	private static final int BUFSIZE = 256; 
	//select方法等待信道准备好的最长时间
	private static final int TIMEOUT = 3000; 
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		if (args.length < 1){
			throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Port> ...");
		}
		//创建一个选择器
		Selector selector = Selector.open();
		for (String arg : args){
			//实例化一个信道
			ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();
			//将该信道绑定到指定端口
			listnChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));
			//配置信道为非阻塞模式
			listnChannel.configureBlocking(false);
			//将选择器注册到各个信道
			listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		}
		//创建一个实现了协议接口的对象
		TCPProtocol protocol = new EchoSelectorProtocol(BUFSIZE);
		//不断轮询select方法,获取准备好的信道所关联的Key集
		while (true){
			//一直等待,直至有信道准备好了I/O操作
			if (selector.select(TIMEOUT) == 0){
				//在等待信道准备的同时,也可以异步地执行其他任务,
				//这里只是简单地打印"."
				System.out.print(".");
				continue;
			}
			//获取准备好的信道所关联的Key集合的iterator实例
			Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
			//循环取得集合中的每个键值
			while (keyIter.hasNext()){
				SelectionKey key = keyIter.next(); 
				//如果服务端信道感兴趣的I/O操作为accept
				if (key.isAcceptable()){
					protocol.handleAccept(key);
				}
				//如果客户端信道感兴趣的I/O操作为read
				if (key.isReadable()){
					protocol.handleRead(key);
				}
				//如果该键值有效,并且其对应的客户端信道感兴趣的I/O操作为write
				if (key.isValid() && key.isWritable()) {
					protocol.handleWrite(key);
				}
				//这里需要手动从键集中移除当前的key
				keyIter.remove(); 
			}
		}
	}
}

这里为了使不同协议都能方便地使用这个基本的服务模式,我们把信道中与具体协议相关的处理各种I/O的操作分离了出来,定义了一个接口,如下:

import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.io.IOException;

/**
*该接口定义了通用TCPSelectorServer类与特定协议之间的接口,
*它把与具体协议相关的处理各种I/O的操作分离了出来,
*以使不同协议都能方便地使用这个基本的服务模式。
*/
public interface TCPProtocol{
	//accept I/O形式
	void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException;
	//read I/O形式
	void handleRead(SelectionKey key) throws IOException;
	//write I/O形式
	void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException;
}

接口的实现类代码如下:

import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.io.IOException;

public class EchoSelectorProtocol implements TCPProtocol {
	private int bufSize; // 缓冲区的长度
	public EchoSelectorProtocol(int bufSize){
    this.bufSize = bufSize;
	}

	//服务端信道已经准备好了接收新的客户端连接
	public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
		SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
		clntChan.configureBlocking(false);
		//将选择器注册到连接到的客户端信道,并指定该信道key值的属性为OP_READ,同时为该信道指定关联的附件
		clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));
	}

	//客户端信道已经准备好了从信道中读取数据到缓冲区
	public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
		SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();
		//获取该信道所关联的附件,这里为缓冲区
		ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
		long bytesRead = clntChan.read(buf);
		//如果read()方法返回-1,说明客户端关闭了连接,那么客户端已经接收到了与自己发送字节数相等的数据,可以安全地关闭
		if (bytesRead == -1){ 
			clntChan.close();
		}else if(bytesRead > 0){
		//如果缓冲区总读入了数据,则将该信道感兴趣的操作设置为为可读可写
		key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
		}
	}

	//客户端信道已经准备好了将数据从缓冲区写入信道
	public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
    //获取与该信道关联的缓冲区,里面有之前读取到的数据
    ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
	//重置缓冲区,准备将数据写入信道
    buf.flip(); 
    SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();
	//将数据写入到信道中
    clntChan.write(buf);
    if (!buf.hasRemaining()){ 
	//如果缓冲区中的数据已经全部写入了信道,则将该信道感兴趣的操作设置为可读
      key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    }
	//为读入更多的数据腾出空间
    buf.compact(); 
  }

}

执行结果如下:

   说明:以上的服务端程序,select()方法第一次能选择出来的准备好的信道都是服务端信道,其关联键值的属性都为OP_ACCEPT,亦及有效操作都为accept,在执行handleAccept方法时,为取得连接的客户端信道也进行了注册,属性为OP_READ,这样下次轮询调用select()方法时,便会检查到对read操作感兴趣的客户端信道(当然也有可能有关联accept操作兴趣集的信道),从而调用handleRead方法,在该方法中又注册了OP_WRITE属性,那么第三次调用select()方法时,便会检测到对write操作感兴趣的客户端信道(当然也有可能有关联read操作兴趣集的信道),从而调用handleWrite方法。
   结果:从结果中很明显地可以看出,服务器端在等待信道准备好的时候,线程没有阻塞,而是可以执行其他任务,这里只是简单的打印”.”,客户端在等待连接和等待数据读写完成的时候,线程没有阻塞,也可以执行其他任务,这里也正是简单的打印”.”。

几个需要注意的地方

1、对于非阻塞SocketChannel来说,一旦已经调用connect()方法发起连接,底层套接字可能既不是已经连接,也不是没有连接,而是正在连接。由于底层协议的工作机制,套接字可能会在这个状态一直保持下去,这时候就需要循环地调用finishConnect()方法来检查是否完成连接,在等待连接的同时,线程也可以做其他事情,这便实现了线程的异步操作。

    2、write()方法的非阻塞调用哦只会写出其能够发送的数据,而不会阻塞等待所有数据,而后一起发送,因此在调用write()方法将数据写入信道时,一般要用到while循环,如:
while(buf.hasRemaining())
    channel.write(buf);
    3、任何对key(信道)所关联的兴趣操作集的改变,都只在下次调用了select()方法后才会生效。
    4、selectedKeys()方法返回的键集是可修改的,实际上在两次调用select()方法之间,都必须手动将其清空,否则,它就会在下次调用select()方法时仍然保留在集合中,而且可能会有无用的操作来调用它,换句话说,select()方法只会在已有的所选键集上添加键,它们不会创建新的建集。
    5、对于ServerSocketChannel来说,accept是唯一的有效操作,而对于SocketChannel来说,有效操作包括读、写和连接,另外,对于DatagramChannle,只有读写操作是有效的。


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