NIO通信学习

今天在学jetty时,发现jetty是采用非阻塞I/O进行通信的,之前对NIO是一头雾水,很不理解,今天再次学习NIO通信,这部分也算Java中的重点难点部分,不能一下子全掌握,就今天学习内容进行各总结:


java Nio 通信与Bio通信主要不同点:
1.Nio中的单个channel即可支持读操作也可以支持写操作,而bio中读操作要用inputstream,写操作要outputstream.
2.nio 采用byteBuffer 作为内存缓存区,向channel里写或者度操作,bio基本是用byte[]
3.nio采用 selector组件轮询读取就绪channel


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。


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。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。


Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：

Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道
为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

channel.configureBlocking(false);  
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ); 

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
 
注意: register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

Connect
Accept
Read
Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。
这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

SelectionKey.OP_CONNECT  
SelectionKey.OP_ACCEPT  
SelectionKey.OP_READ  
SelectionKey.OP_WRITE

如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象,通过Selector选择通道
 
一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。
 
下面是select()方法：（该方法是阻塞方法）

int select()
int select(long timeout)
int selectNow()

elect()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
 
select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
 
selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。
 
select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。
附加的对象
 
可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

附加的对象
 
可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

electionKey.attach(theObject);  
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象，如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

下面是服务端以及客户端的NIO通信的实现代码，其中注释不保证全部安全，若有出错，欢迎指出：

服务端:

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ClosedChannelException;
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 ServerTest {

	public static void main(String[] args) {
		server();
	}

	private static void server() {
		//ServerSocketChannel通道引用
		ServerSocketChannel channel=null;
		
		try {
			//创建selector
			Selector selector=Selector.open();
			//open方法来打开一个未绑定的ServerSocketChannel实例
			channel=ServerSocketChannel.open();
			//把channel设置成非阻塞
			channel.configureBlocking(false);
			//timewait状态时，就可复用其端口,对于大量连接且经常有timewait时适用
			channel.socket().setReuseAddress(true);
			//与端口绑定
			channel.bind(new InetSocketAddress(8082));
			
			//在SelectionKey对象的有效期间，Selector会一直监控与SelectionKey对象相关的事件，如果事件发生，就会把SelectionKey对象加入到selected-keys集合中
			//将selector对象绑定到监听信道上,并在注册过程中指出该信道进行OP_ACCEPT操作 
			channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT,new Integer(1));
			/*SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
			SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功
			SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
			SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）*/
			
			//反复循环,等待IO
			while(true){
				//select方法会阻塞等待，直到至少有一个注册信道中有感兴趣的操作准备就绪,返回值大于0,表明有一个或更多个通道就绪了
				if(selector.select()>0){
					//将就绪的对象放到set集合中
					Set sets=selector.selectedKeys();
					//通过迭代器遍历,依次处理selector上的每个已选择的SelectionKey
					Iterator keys=sets.iterator();
					while(keys.hasNext()){
						//获取具体的selectionkey
						SelectionKey key=keys.next();
						//Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例,必须在处理完通道时自己移除。
						//下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。
						keys.remove();
						
						//selectionKey对应的通道是包含客户端的连接请求  
						if(key.isAcceptable()){
							key.attach(new Integer(1));
							//调用accept方法接受连接，产生服务器端对应的SocketChannel
							SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
							//同样设置为非阻塞
							socketChannel.configureBlocking(false);
							//同样将socketChannel注册到selector上,socketChannel设置成准备接受其他请求
							socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);
						}
						//selectionKey对应的通道有数据需要读取
						if(key.isReadable()){
							//获取该SelectionKey对应的Channel，该Channel中有可读的数据
							SocketChannel socketChannel=(SocketChannel) key.channel();
							//定义准备执行读取数据的ByteBuffer,NIO通信是基于Buffer块的 
							ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(1024);
							ByteArrayOutputStream output=new ByteArrayOutputStream();
							int len=0;
							while((len=socketChannel.read(buf))!=0){
								buf.flip();
								//remaining()返回剩余的可用长度，此长度为实际读取的数据长度
								byte[] b=new byte[buf.remaining()];
								buf.get(b);
								output.write(b);
								buf.clear();
							}
							String str=new String(output.toByteArray());
							key.attach(str);
							
						}
						//selectionKey对应的通道是否可以写入数据
						if(key.isWritable()){
							Object object=key.attachment();
							String attach=object!=null?"server replay: "+object.toString():"server replay: ";
							//获取该SelectionKey对应的Channel，在该Channel中写入数据
							SocketChannel socketChannel=(SocketChannel) key.channel();
							socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(attach.getBytes()));
						}
					}
				}	
			}
		} catch (SocketException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (ClosedChannelException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			if(channel!=null){
				try {
					//关闭通道
					channel.close();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}

}

客户端:

import java.io.ByteArrayOutputStream;  
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;  
  
public class ClientTest {  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
                client();  
    }  
      
    public static void client() { 
    	//socket这里创建的是SocketChannel
        SocketChannel channel=null;  
        try {  
            //打开selector
            Selector selector=Selector.open();
            //打开SocketChannel通道
            channel = SocketChannel.open();  
            //非阻塞
            channel.configureBlocking(false);
            //连接相应的端口号
            channel.connect(new InetSocketAddress(8020)); 
            //channel注册到selector上,设置成接受请求
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
              
            while(true){  
                if(selector.select()>0){  
                      
                    Iterator set=selector.selectedKeys().iterator();  
                    while(set.hasNext()){  
                        SelectionKey key=set.next();  
                        set.remove();  
                          
                        SocketChannel ch=(SocketChannel) key.channel();  
                        if(key.isConnectable()){  
                            ch.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE,new Integer(1));  
                            ch.finishConnect();  
                        }  
                          
                        if(key.isReadable()){  
                            key.attach(new Integer(1));  
                            ByteArrayOutputStream output=new ByteArrayOutputStream();  
                            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);  
                            int len=0;  
                            while((len=ch.read(buffer))!=0){  
                                buffer.flip();  
                                byte by[]=new byte[buffer.remaining()];  
                                buffer.get(by);  
                                output.write(by);  
                                buffer.clear();  
                            }  
                            System.out.println(new String(output.toByteArray()));  
                            output.close();  
                        }  
                          
                        if(key.isWritable()){  
                            key.attach(new Integer(1));  
                            ch.write(ByteBuffer.wrap((("client say: hi")).getBytes()));  
                        }  
                    }  
                }  
            }  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        }finally{  
            try {  
                channel.close();  
            } catch (IOException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
      
    static class ClientRunnable implements Runnable{  
  
        private SocketChannel ch;  
          
        private ClientRunnable(SocketChannel ch){  
            this.ch=ch;  
        }  
          
        @Override  
        public void run() {  
            try {  
                while(true){  
                    ch.write(ByteBuffer.wrap((("client say:hi")).getBytes()));  
                    Thread.sleep(5000);  
                }  
            } catch (Exception e) {  
                e.printStackTrace();  
                try {  
                    ch.close();  
                } catch (IOException e1) {  
                    e1.printStackTrace();  
                }  
            }  
        }  
    }   
}  

上述学习内容参考了这篇博文: http://hbiao68.iteye.com/blog/1930884