知识大全使用NIO实现非阻塞Socket通信（1）

Posted 2022-07-18 操作

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　　 使用NIO实现非阻塞Socket通信

　　从JDK 开始 Java提供的NIO API来开发高性能网络服务器前面介绍的网络通信程序是基于阻塞式API的即当程序执行输入输出操作后在这些操作返回之前会一直阻塞该线程所以服务器必须为每个客户端都提供一条独立线程进行处理当服务器需要同时处理大量客户端时这种做法会导致性能下降使用NIO API则可以让服务器使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器上的所有客户端

　　如果读者忘记了NIO里Channel Buffer Charset等API的概念和用法读者可以再次阅读本书第章关于新IO的内容

　　Java的NIO为非阻塞式的Socket通信提供了如下几个特殊类

　　Selector:它是SelectableChannel对象的多路复用器所有希望采用非阻塞方式进行通信的Channel都应该注册到Selector对象可通过调用此类的静态open（）方法来创建Selector实例该方法将使用系统默认的Selector来返回新的Selector

　　Selector可以同时监控多个SelectableChannel的IO状况是非阻塞IO的核心一个Selector实例有个SelectionKey的集合

　　所有SelectionKey集合代表了注册在该Selector上的Channel 这个集合可以通过keys（）方法返回

　　被选择的SelectionKey集合代表了所有可通过select（）方法监测到需要进行IO处理的Channel 这个集合可以通过selectedKeys（）返回

　　被取消的SelectionKey集合代表了所有被取消注册关系的Channel 在下一次执行select（）方法时这些Channel对应的SelectionKey会被彻底删除程序通常无须直接访问该集合

　　除此之外 Selector还提供了系列和select（）相关的方法如下所示

　　int select（）监控所有注册的Channel 当它们中间有需要处理的IO操作时该方法返回并将对应的SelectionKey加入被选择的SelectionKey集合中该方法返回这些Channel的数量

　　int select（long timeout）可以设置超时时长的select（）操作

　　int selectNow（）执行一个立即返回的select（）操作相对于无参数的select（）方法而言该方法不会阻塞线程

　　Selector wakeup（）使一个还未返回的select（）方法立刻返回

　　SelectableChannel:它代表可以支持非阻塞IO操作的Channel对象可以将其注册到Selector上这种注册的关系由SelectionKey实例表示

　　Selector对象提供了一个select（）方法该方法允许应用程序同时监控多个IO Channel

　　应用程序可调用SelectableChannel 的register（）方法将其注册到指定Selector上当该Selector上某些SelectableChannel上有需要处理的IO操作时程序可以调用Selector实例的select（）方法获取它们的数量并可以通过selectedKeys（）方法返回它们对应的SelectKey集合通过该集合就可以获取所有需要处理IO操作的SelectableChannel集

　　SelectableChannel对象支持阻塞和非阻塞两种模式（所有channel默认都是阻塞模式）必须使用非阻塞式模式才可以利用非阻塞IO操作

　　SelectableChannel提供了如下两个方法来设置和返回该Channel的模式状态

　　SelectableChannel configureBlocking（boolean block）设置是否采用阻塞模式

　　boolean isBlocking（）返回该Channel是否是阻塞模式

　　不同的SelectableChannel所支持的操作不一样例如ServerSocketChannel代表一个ServerSocket 它就只支持OP_ACCEPT操作

　　SelectableChannel提供如下方法来返回它支持的所有操作

　　int validOps（） :返回一个bit mask 表示这个channel上支持的IO操作

　　在SelectionKey中用静态常量定义了种IO操作 OP_READ（） OP_WRITE（） OP_CONNECT（） OP_ACCEP（）这四值任意个个个进行按位或的结果和相加的结果相等而且它们任意个个个相加的结果总是互不相同所以系统可以根据validOps（）方法的返回值确定该SelectableChannel支持的操作例如返回我们知道它支持读（）和写（）

　　除此之外 SelectableChannel还提供了如下几个方法来获取它的注册状态

　　boolean isRegistered（）返回该Channel是否已注册在一个或多个Selector上

　　SelectionKey keyFor（Selector sel）返回该Channel和sel Selector之间的注册关系如果不存在注册关系则返回null

　　SelectionKey:该对象代表SelectableChannel和Selector之间的注册关系

　　ServerSocketChannel:支持非阻塞操作对应于java net ServerSocket这个类提供了TCP协议IO接口只支持OP_ACCEPT操作该类也提供了accept（）方法功能相当于ServerSocket提供的accept（）方法

　　SocketChannel:支持非阻塞操作对应于java net Socket这个类提供了TCP协议IO接口支持OP_CONNECT OP_READ和OP_WRITE操作这个类还实现了ByteChannel接口 ScatteringByteChannel接口和GatheringByteChannel接口所以可以直接通过SocketChannel来读写ByteBuffer对象

　　图显示了使用NIO实现非阻塞式服务器的示意图

图 NIO的非阻塞式服务器示意

　　从图中可以看出服务器上所有Channel（包括ServerSocketChannel和SocketChannel）都需要向Selector注册而该Selector则负责监视这些Socket的IO状态当其中任意一个或多个Channel具有可用的IO操作时该Selector的select（）方法将会返回大于的整数该整数值就表示该Selector上有多少个Channel具有可用的IO操作并提供了selectedKeys（）方法来返回这些Channel对应的SelectionKey集合正是通过Selector 使得服务器端只需要不断地调用Selector实例的select（）方法即可知道当前所有Channel是否有需要处理的IO操作

　　当Selector上注册的所有Channel都没有需要处理的IO操作时 select（）方法将被阻塞调用该方法的线程被阻塞

　　本示例程序使用NIO实现了多人聊天室的功能服务器使用循环不断获取Selector的select（）方法返回值当该返回值大于时就处理该Selector上被选择SelectionKey所对应的Channel

　　服务器端需要使用ServerSocketChannel来监听客户端的连接请求 Java中该类的设计比较糟糕它不是ServerSocket的完整抽象所以不能直接让该Channel监听某个端口而且不允许使用ServerSoceket的getChannel（）方法来获取ServerSocketChannel实例程序必须先调用它的socket（）方法获得关联ServerSocket对象再用该ServerSocket对象绑定到来指定监听IP和端口创建一个可用的ServerSocketChannel需采用如下代码片段

　　//通过open方法来打开一个未绑定的ServerSocketChannel实例

　　ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel open（）

　　InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress（）

　　//将该ServerSocketChannel绑定到指定IP地址

　　server socket（） bind（isa）

　　如果需要使用非阻塞方式来处理该ServerSocketChannel 还应该设置它的非阻塞模式并将其注册到指定的Selector 如下代码片段

　　//设置ServerSocket以非阻塞方式工作

　　server configureBlocking（false）

　　//将server注册到指定Selector对象

　　server register（selector SelectionKey OP_ACCEPT）

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