java nio 操作（2）异步阻塞 socket实现

2022-06-04 04:06:41

一.同步阻塞IO

        BIO就是阻塞式的IO，网络通信中对于多客户端的连入，服务器端总是与客户端数量一致的线程去处理每个客户端任务，即，客户端与线程数1:1，并且进行读写操作室阻塞的，当有你成千上完的客户端进行连接，就导致服务器不断的建立新的线程，最后导致低通资源不足，后面的客户端不能连接服务器，并且连接入的客户端并不是总是在于服务器进行交互，很可能就只是占用着资源而已。

二.伪异步IO

   伪异步IO对同步IO进行了优化，后端通过一个线程池和任务队列去处理所有客户端的请求，当用完后在归还给线程池，线程池的原理和数据库连接池的原理很像，他减少了线程创建和销毁的时间，无论多少客户端的连接都是这些固定的线程数量去处理，这在大量客户端与服务器信息交互量很少的情况下，是一种很好的处理方式，但是想一种情况，当有一个客户端的读取信息非常慢时，服务器对其的写操作时会很慢，甚至会阻塞很长时间，因为线程池中的线程是有限的，当有客户端需要分配线程时，就会导致新任务在队列中一直等待阻塞的客户端释放线程。当任务队列已经满时，就会有大量的用户发生连接超时。其实，伪异步IO也是同步阻塞IO。


三.javaNIO原理

       为了解决上面的两种阻塞IO的缺陷，Java在1.4版本开始加入NIO也称为new IO，至于他是什么模型我们先来看这个博客（Java NIO BIO AIO全面剖析）。看完之后就会很清楚了。


目前在UNP划分的角度，异步IO只有AIO。网络通信中，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道来实现，可以设置阻塞余非阻塞两种模式，为了实现高负载高并发都采取非阻塞的模式。NIO采用缓冲区BUFFER，实现对数据的读写操作，缓冲区是固定大小，并由内部状态记录有多少数据被放入或者取出。与阻塞IO不同，阻塞IO采用阻塞式流（Stream）的方式进行读写，流是单向的只能向一个方向读数据或者写数据，而通道是双向的，可以同时在通道上发送和读取数据，而且是非阻塞的，在没有数据可读可写时可以去做别的事情。

       NIO改进了上面的一对一或者M：N的模型。服务器仅采用一个一个线程去处理所有客户端线程，这就需要创建一个selector，并将其注册到想要监控的信道上（注意是通过channel的方法来实现），并返回一个selectorKey实例（包含通道和select以及感兴趣的操作），selector就好像是一个观察者，通过不断轮询所注册的一组通道上有没有等待的操作发生，当等待事件发生的时候可以做其他事情，当有信道出现感兴趣的操作，则该信道就进入就绪状态。

      Slector的select方法阻塞等待又没有就绪的通道，当出现就绪的信道或者等待超时返回，就绪信道的个数，若等待超时则返回-1，selectedKeys方法返回就绪的信道。

   下面附代码

这是处理感兴趣信道的接口，因为他可以放在多个服务器上所以把他做成了接口。

[java] view plain copy
  1. package Nio;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  5.   
  6. public interface TCPProtocol {  
  7.     void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException;  
  8.     void handleRead(SelectionKey key) throws IOException;  
  9.     void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException;  
  10. }  
[java] view plain copy
  1. <span style="font-family:FangSong_GB2312;">这是对上面接口的具体实现</span>  
  2. package Nio;  
  3.   
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  9.   
  10. public class SelectorProtocol implements TCPProtocol {  
  11.     private int bufSize ;  
  12.     public SelectorProtocol(int buffsize){  
  13.         this.bufSize = buffsize;  
  14.     }  
  15.   
  16.      //服务端信道已经准备好了接收新的客户端连接    
  17.     public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {    
  18.         SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();    
  19.         clntChan.configureBlocking(false);    
  20.         //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    
  21.         clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));    
  22.     }    
  23.     
  24.     //客户端信道已经准备好了从信道中读取数据到缓冲区    
  25.     public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{    
  26.         SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();    
  27.         //获取该信道所关联的附件，这里为缓冲区    
  28.         ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();    
  29.         long bytesRead = clntChan.read(buf);    
  30.         //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    
  31.         if (bytesRead == -1){     
  32.             clntChan.close();    
  33.         }else if(bytesRead > 0){    
  34.         //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    
  35.         key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);    
  36.         }    
  37.     }    
  38.         
  39.     //客户端信道已经准备好了将数据从缓冲区写入信道    
  40.     public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {    
  41.     //获取与该信道关联的缓冲区，里面有之前读取到的数据    
  42.     ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();    
  43.     //重置缓冲区，准备将数据写入信道    
  44.     buf.flip();     
  45.     SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();    
  46.     //将数据写入到信道中    
  47.     clntChan.write(buf);    
  48.     if (!buf.hasRemaining()){     
  49.     //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    
  50.       key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);    
  51.     }    
  52.     //为读入更多的数据腾出空间    
  53.     buf.compact();     
  54.   }    
  55. }  
客户端

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  1. package Nio;  
  2. import java.net.InetSocketAddress;  
  3. import java.net.SocketException;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  6.   
  7. public class TCPEchoClientNonblocking {  
  8.     public static void main(String args[]) throws Exception{  
  9.         //第一个参数作为要连接的服务端的主机名或IP  
  10.         String server = "localhost";   
  11.         //第二个参数为要发送到服务端的字符串  
  12.         byte[] argument = "nihaopengyou".getBytes();  
  13.         //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  
  14.         int servPort = 2002;  
  15.         //创建一个信道，并设为非阻塞模式  
  16.         SocketChannel clntChan = SocketChannel.open();  
  17.         clntChan.configureBlocking(false);  
  18.         //向服务端发起连接  
  19.         if (!clntChan.connect(new InetSocketAddress(server, servPort))){  
  20.             //不断地轮询连接状态，直到完成连接  
  21.             while (!clntChan.finishConnect()){  
  22.                 //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  
  23.                 //这里为了演示该方法的使用，只是一直打印"."  
  24.                 System.out.print(".");    
  25.             }  
  26.         }  
  27.         //为了与后面打印的"."区别开来，这里输出换行符  
  28.         System.out.print("\n");  
  29.         //分别实例化用来读写的缓冲区  
  30.         ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(argument);  
  31.         ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(argument.length);  
  32.         //接收到的总的字节数  
  33.         int totalBytesRcvd = 0;   
  34.         //每一次调用read（）方法接收到的字节数  
  35.         int bytesRcvd;   
  36.         //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  
  37.         while (totalBytesRcvd < argument.length){  
  38.             //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  
  39.             if (writeBuf.hasRemaining()){  
  40.                 clntChan.write(writeBuf);  
  41.             }  
  42.             //如果read（）接收到-1，表明服务端关闭，抛出异常  
  43.             if ((bytesRcvd = clntChan.read(readBuf)) == -1){  
  44.                 throw new SocketException("Connection closed prematurely");  
  45.             }  
  46.             //计算接收到的总字节数  
  47.             totalBytesRcvd += bytesRcvd;  
  48.             //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  
  49.             //这里为了演示该方法的使用，同样只是一直打印"."  
  50.             System.out.print(".");   
  51.         }  
  52.         //打印出接收到的数据  
  53.         System.out.println("Received: " +  new String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));  
  54.         //关闭信道  
  55.         clntChan.close();  
  56.     }  
  57. }  

服务器

[java] view plain copy
  1. package Nio;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.net.InetSocketAddress;  
  4. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  5. import java.nio.channels.Selector;  
  6. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  7. import java.util.Iterator;  
  8.   
  9. public class TCPServerSelector{  
  10.     //缓冲区的长度  
  11.     private static final int BUFSIZE = 256;   
  12.     //select方法等待信道准备好的最长时间  
  13.     private static final int TIMEOUT = 3000;   
  14.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  15.         if (args.length < 1){  
  16.             throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Port> ...");  
  17.         }  
  18.         //创建一个选择器  
  19.         Selector selector = Selector.open();  
  20.         for (String arg : args){  
  21.             //实例化一个信道  
  22.             ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();  
  23.             //将该信道绑定到指定端口  
  24.             listnChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));  
  25.             System.out.println("启动服务器"+Integer.parseInt(arg));  
  26.             //配置信道为非阻塞模式  
  27.             listnChannel.configureBlocking(false);  
  28.             //将选择器注册到各个信道  
  29.             listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
  30.         }  
  31.         //创建一个实现了协议接口的对象  
  32.         TCPProtocol protocol = new SelectorProtocol(BUFSIZE);  
  33.         //不断轮询select方法，获取准备好的信道所关联的Key集  
  34.         while (true){  
  35.             //一直等待,直至有信道准备好了I/O操作  
  36.             if (selector.select(TIMEOUT) == 0){  
  37.                 //在等待信道准备的同时，也可以异步地执行其他任务，  
  38.                 //这里只是简单地打印"."  
  39.                 System.out.print(".");  
  40.                 continue;  
  41.             }  
  42.             //获取准备好的信道所关联的Key集合的iterator实例  
  43.             Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();  
  44.             //循环取得集合中的每个键值  
  45.             while (keyIter.hasNext()){  
  46.                 SelectionKey key = keyIter.next();   
  47.                 //如果服务端信道感兴趣的I/O操作为accept  
  48.                 if (key.isAcceptable()){  
  49.                     protocol.handleAccept(key);  
  50.                 }  
  51.                 //如果客户端信道感兴趣的I/O操作为read  
  52.                 if (key.isReadable()){  
  53.                     protocol.handleRead(key);  
  54.                 }  
  55.                 //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  
  56.                 if (key.isValid() && key.isWritable()) {  
  57.                     protocol.handleWrite(key);  
  58.                 }  
  59.                 //这里需要手动从键集中移除当前的key  
  60.                 keyIter.remove();   
  61.             }  
  62.         }  
  63.     }  
  64. }  

运行结果：java nio 操作（2）异步阻塞 socket实现java nio 操作（2）异步阻塞 socket实现
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