知识大全运用异步输入输出流编写Socket进程通信

Posted 2022-07-19 通道

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　　杨健 ()　　中南工业大学　　年月　　　　摘要代码号为 Merlin 的J SE 带来了一些激动人心的新特性诸如对正则表达式的支持异步输入输出流通道(Channel) 字符集等虽然该版本还处在测试阶段但这些新特性早已让开发人员们跃跃欲试在Merlin发布之前异步输入输出流的应用还只是C C++程序员的特殊武器;在Merlin中引入异步输入输出机制之后 Java程序员也可以利用它完成很多简洁却是高质量的代码了本文将介绍怎样使用异步输入输出流来编写Socket进程通信程序　　同步？异步输入输出机制的引入　　在Merlin之前编写Socket程序是比较繁琐的工作因为输入输出都必须同步这样对于多客户端客户/服务器模式不得不使用多线程即为每个连接的客户都分配一个线程来处理输入输出由此而带来的问题是可想而知的程序员不得不为了避免死锁线程安全等问题进行大量的编码和测试很多人都在抱怨为什么不在Java中引入异步输入输出机制比较官方的解释是任何一种应用程序接口的引入都必须兼容任何操作平台因为Java是跨平台的而当时支持异步输入输出机制的操作平台显然不可能是全部自Java Platform以后分离出J SE J ME J EE三种不同类型的应用程序接口以适应不同的应用开发 Java标准的制订者们意识到了这个问题并且支持异步输入输出机制的操作平台在当今操作平台中处于主流地位于是 Jdk(J SE) 的第五次发布中引入了异步输入输出机制　　　　以前的Socket进程通信程序设计中一般客户端和服务器端程序设计如下　　　　服务器端　　//服务器端监听线程　　while (true) 　　　　　　　　　　　　　　 Socket clientSocket;　　　　　　　 clientSocket = socket accept(); //取得客户请求Socket 如果没有//客户请求连接线程在此处阻塞　　　　　　　 //用取得的Socket构造输入输出流　　　　　　　 PrintStream os = new PrintStream(new 　　　　　　　 BufferedOutputStream(clientSocket getOutputStream() 　　　　　　　 ) false);　　　　　　　 BufferedReader is = new BufferedReader(new 　　　　　　　 InputStreamReader(clientSocket getInputStream()));　　　　　　　 //创建客户会话线程进行输入输出控制为同步机制　　　　　　　 new ClientSession();　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　客户端　　　　　　clientSocket = new Socket(HOSTNAME LISTENPORT);//连接服务器套接字　　　//用取得的Socket构造输入输出流　　　PrintStream os = new PrintStream(new 　　　　　　　 BufferedOutputStream(clientSocket getOutputStream() 　　　　　　　 ) false);　　　　　　　 BufferedReader is = new BufferedReader(new 　　　　　　　 InputStreamReader(clientSocket getInputStream()));　　　//进行输入输出控制　　　　　　　　　　以上代码段只是用同步机制编写Socket进程通信的一个框架实际上要考虑的问题要复杂的多（有兴趣的读者可以参考我的一篇文章《Internet 实时通信系统设计与实现》）将这样一个框架列出来只是为了与用异步机制实现的Socket进程通信进行比较下面将介绍使用异步机制的程序设计　　　　用异步输入输出流编写Socket进程通信程序　　在Merlin中加入了用于实现异步输入输出机制的应用程序接口包 java nio（新的输入输出包定义了很多基本类型缓冲(Buffer)） java nio channels(通道及选择器等用于异步输入输出) java nio charset（字符的编码解码）通道(Channel)首先在选择器(Selector)中注册自己感兴趣的事件当相应的事件发生时选择器便通过选择键(SelectionKey)通知已注册的通道然后通道将需要处理的信息通过缓冲（Buffer）打包编码/解码完成输入输出控制　　　　通道介绍　　这里主要介绍ServerSocketChannel和 SocketChannel 它们都是可选择的(selectable)通道分别可以工作在同步和异步两种方式下（注意这里的可选择不是指可以选择两种工作方式而是指可以有选择的注册自己感兴趣的事件）可以用nfigureBlocking(Boolean )来设置其工作方式与以前版本的API相比较 ServerSocketChannel就相当于ServerSocket(ServerSocketChannel封装了ServerSocket) 而SocketChannel就相当于Socket（SocketChannel封装了Socket）当通道工作在同步方式时编程方法与以前的基本相似这里主要介绍异步工作方式　　　　所谓异步输入输出机制是指在进行输入输出处理时不必等到输入输出处理完毕才返回所以异步的同义语是非阻塞（None Blocking）在服务器端 ServerSocketChannel通过静态函数open()返回一个实例serverChl 然后该通道调用serverChl socket() bind()绑定到服务器某端口并调用register（Selector sel SelectionKey OP_ACCEPT）注册OP_ACCEPT事件到一个选择器中（ServerSocketChannel只可以注册OP_ACCEPT事件）当有客户请求连接时选择器就会通知该通道有客户连接请求就可以进行相应的输入输出控制了在客户端 clientChl实例注册自己感兴趣的事件后（可以是OP_CONNECT OP_READ OP_WRITE的组合）调用nnect(InetSocketAddress )连接服务器然后进行相应处理注意这里的连接是异步的即会立即返回而继续执行后面的代码　　　　选择器和选择键介绍　　选择器（Selector）的作用是将通道感兴趣的事件放入队列中而不是马上提交给应用程序等已注册的通道自己来请求处理这些事件换句话说就是选择器将会随时报告已经准备好了的通道而且是按照先进先出的顺序那么选择器是通过什么来报告的呢？选择键(SelectionKey) 选择键的作用就是表明哪个通道已经做好了准备准备干什么你也许马上会想到那一定是已注册的通道感兴趣的事件不错例如对于服务器端serverChl来说可以调用key isAcceptable()来通知serverChl有客户端连接请求相应的函数还有 SelectionKey isReadable() SelectionKey isWritable() 一般的在一个循环中轮询感兴趣的事件（具体可参照下面的代码）如果选择器中尚无通道已注册事件发生调用Selector select()将阻塞直到有事件发生为止另外可以调用selectNow()或者select(long timeout) 前者立即返回没有事件时返回值后者等待timeout时间后返回一个选择器最多可以同时被个通道一起注册使用　　　　应用实例　　下面是用异步输入输出机制实现的客户/服务器实例程序――程序清单（限于篇幅只给出了服务器端实现读者可以参照着实现客户端代码）　　　　程序类图　　public class NBlockingServer 　　int port = ;　　int BUFFERSIZE = ;　　Selector selector = null;　　ServerSocketChannel serverChannel = null;　　HashMap clientChannelMap = null;//用来存放每一个客户连接对应的套接字和通道　　　　public NBlockingServer( int port ) 　　　 this clientChannelMap = new HashMap(); 　　this port = port;　　　　　　public void initialize() throws IOException 　　 //初始化分别实例化一个选择器一个服务器端可选择通道　　 this selector = Selector open();　　 this serverChannel = ServerSocketChannel open();　　 thnfigureBlocking(false);　　 InetAddress localhost = InetAddress getLocalHost();　　 InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(localhost this port );　　 this serverChannel socket() bind(isa);//将该套接字绑定到服务器某一可用端口　　　　//结束时释放资源　　public void finalize() throws IOException 　　　 this serverChannel close();　　　 this selector close();　　　　//将读入字节缓冲的信息解码　　public String decode( ByteBuffer byteBuffer ) throws 　　CharacterCodingException 　　　 Charset charset = Charset forName( ISO );　　　 CharsetDecoder decoder = charset newDecoder();　　　 CharBuffer charBuffer = decoder decode( byteBuffer );　　　 String result = charBuffer toString();　　　 return result;　　　　//监听端口当通道准备好时进行相应操作　　public void portListening() throws IOException InterruptedException 　　 //服务器端通道注册OP_ACCEPT事件　　 SelectionKey acceptKey =this serverChannel register( this selector 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SelectionKey OP_ACCEPT );　　　 //当有已注册的事件发生时 select()返回值将大于　　　 while (acceptKey selector() select() > ) 　　　　　 System out println( event happened );　　　　　 //取得所有已经准备好的所有选择键　　　　　 Set readyKeys = this selector selectedKeys();　　　　　 //使用迭代器对选择键进行轮询　　　　　 I cha138/Article/program/Java/hx/201311/26159

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