Java網路程式設計由淺入深三 一文了解非阻塞通訊的圖文程式碼範例詳解
- 黄舟原創
- 2017-03-04 10:10:551800瀏覽
本文詳細介紹組成非阻塞通訊的幾大類別：Buffer、Channel、Selector、SelectionKey
非阻塞通訊的流程
ServerSocketChannel透過open方法取得ServerSocketChannel，透過ServerSocketChannel設定為非阻塞模式，再透過ServerSocketChannel取得socket，綁定定服務進程監聽埠。服務啟動成功。
然後就是非阻塞通訊的精髓了，Selector透過靜態的open()方法取得到Selector，然後ServerSocketChannel註冊Selection.OP_ACCEPT事件到Selector。
Selector就會監控事件發生，Selector透過select()監控已發生的SelectionKey物件的數目，透過selectKeys()方法傳回對應的selectionKey物件集合。遍歷此集合得到對應的selectionKey對象，透過該物件的channel()方法取得關聯的ServerSocketChannel對象， 透過selector()方法就可以取得關聯的Selector物件。
透過上面取得的ServerSocketChannel執行accept()方法取得SocketChannel，再透過SocketChannel設定為非阻塞模式，在將SocketChannel註冊到上面建立的Selector上，註冊
SelectionKey .OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE事件。Selector將在監控對應上面綁定的事件，監控到對應的事件的話執行讀取和寫入的操作。
範例程式碼：
上面描述了服務端非阻塞方式通訊的一個流程，以下透過具體程式碼實作：
/**
* 非阻塞模式
*
*/public class EchoServer2 {
private Selector selector = null;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
private int port = 8001;
private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
public EchoServer2() throws IOException {
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); //服务器重启的时候，重用端口
serverSocketChannel.socket().setReuseAddress(true); //设置非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
System.out.println("服务器启动成功");
} /**
* 服务方法
*/
public void service() throws IOException {
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (selector.select() > 0) {
Set readyKes = selector.selectedKeys();
Iterator it = readyKes.iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = null;
try {
key = (SelectionKey) it.next();
it.remove();
if (key.isAcceptable()) {
System.out.println("连接事件");
//连接事件
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
System.out.println("接收到客户连接，来自：" + socketChannel.socket().getInetAddress() + " : " + socketChannel.socket().getPort());
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ |
SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
} else if (key.isReadable()) {
//接收数据
receive(key);
} else if (key.isWritable()) {
//发送数据
send(key);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
try {
if (key != null) {
key.cancel();
key.channel().close();
}
}catch (IOException ex){
ex.printStackTrace();
}
}
}
}
} private void send(SelectionKey key) throws IOException {
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
buffer.flip(); //把极限设置为位置，把位置设置为0
String data = decode(buffer);
if (data.indexOf("\r\n") == -1) {
return;
}
String outputData = data.substring(0, data.indexOf("\n") + 1);
System.out.println("请求数据：" + outputData);
ByteBuffer outputBuffer = encode("echo:" + outputData);
while (outputBuffer.hasRemaining()) {
channel.write(outputBuffer);
}
ByteBuffer temp = encode(outputData);
buffer.position(temp.limit());
buffer.compact(); if (outputData.equals("bye\r\n")) {
key.cancel();
channel.close();
System.out.println("关闭与客户的连接");
}
} private String decode(ByteBuffer buffer) {
CharBuffer charBuffer = charset.decode(buffer); return charBuffer.toString();
} private ByteBuffer encode(String s) { return charset.encode(s);
} private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(32);
socketChannel.read(readBuff);
readBuff.flip();
buffer.limit(buffer.capacity());
buffer.put(readBuff);
} public static void main(String[] args) throws IOException { new EchoServer2().service();
}
}/**
* 创建非阻塞客户端
*
*/public class EchoClient2 {
private SocketChannel socketChannel; private int port = 8001; private Selector selector; private ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); private ByteBuffer receiveBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); private Charset charset = Charset.forName("UTF-8"); public EchoClient2() throws IOException {
socketChannel = SocketChannel.open();
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port);
socketChannel.connect(inetSocketAddress);//
socketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞模式
System.out.println("与服务器连接成功");
selector = Selector.open();
} public static void main(String[] args) throws IOException { final EchoClient2 client = new EchoClient2();
Thread receiver = new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() {
client.receiveFromUser();
}
});
receiver.start();
client.talk();
} private void receiveFromUser() { try {
System.out.println("请输入数据：");
BufferedReader localReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String msg = null; while ((msg = localReader.readLine()) != null) {
System.out.println("用户输入的数据：" + msg); synchronized (sendBuffer) {
sendBuffer.put(encode(msg + "\r\n"));
} if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) { break;
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
} private ByteBuffer encode(String s) { return charset.encode(s);
} private void talk() throws IOException {
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); while (selector.select() > 0) {
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator(); while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = null; try {
key = it.next();
it.remove(); if (key.isReadable()) { //System.out.println("读事件");
//读事件
receive(key);
} if (key.isWritable()) { // System.out.println("写事件");
//写事件
send(key);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace(); if (key != null) {
key.cancel();
key.channel().close();
}
}
}
}
} private void send(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); synchronized (sendBuffer) {
sendBuffer.flip();//把极限设为位置，把位置设为零
channel.write(sendBuffer);
sendBuffer.compact();//删除已经发送的数据。
}
} private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
channel.read(receiveBuffer);
receiveBuffer.flip();//将limit的值设置为position的值，将position的值设置为0
String receiveData = decode(receiveBuffer); if (receiveData.indexOf("\n") == -1) { return;
}
String outputData = receiveData.substring(0, receiveData.indexOf("\n") + 1);
System.out.println("响应数据：" + outputData); if (outputData.equalsIgnoreCase("echo:bye\r\n")) {
key.cancel();
socketChannel.close();
;
System.out.println("关闭与服务器的连接");
selector.close();
System.exit(0);
}
ByteBuffer temp = encode(outputData);
receiveBuffer.position(temp.limit());
receiveBuffer.compact();//删除已经打印的数据
} private String decode(ByteBuffer receiveBuffer) {
CharBuffer buffer = charset.decode(receiveBuffer); return buffer.toString();
}
} 實作非阻塞通訊的方式
緩衝區
通道
-
#Selector
緩衝區
#作用：減少物理讀取和寫入次數，減少記憶體建立和銷毀次數。 緩衝區的屬性：capacity(最大容量)、limit(實際容量)、position(目前位置)。 PS：其他地方是翻譯成capacity(容量)、limit(極限)、position位置)，我個人覺得翻譯成上面的更好理解，為啥透過下面的方法解析和圖解就可明白。當然最好透過英文表達這樣最清楚。
三個屬性的關係為：capacity≥limit≥position≥0
圖解關係如下： 
緩衝區類別結構：
java.nio.ByteBuffer類是一個抽象類，不能被實例化。但是提供了8個具體的實現類，其中最基本的緩衝區是ByteBuffer，它存放的資料單元是位元組。 
常用方法：
clear()：把limit設定為capacity，再把位置設為0
# flip()：把limit設定為position，再把位置設為0。
rewind()：不改變limit，把位置設為0。
allocate():建立一個緩衝區中，方法參數指定緩衝區大小
compact():將緩衝區的目前位置和界限之間的位元組（如果有）複製到緩衝區的開始處。
測試上述方法：
測試clear()方法
@Test
public void testClear() { //创建一个10chars大小的缓冲区，默认情况下limit和capacity是相等的
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
System.out.println("创建默认情况");
printBufferInfo(buffer);
buffer.limit(8);//修改limit的值
System.out.println("修改limit后");
printBufferInfo(buffer); // clear()：把limit设置为capacity，再把位置设为0
buffer.clear();
System.out.println("执行clear()方法后");
printBufferInfo(buffer);
} 執行結果如下： 
測試flip()方法：
@Test
public void testFlip() {
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
System.out.println("创建默认情况");
printBufferInfo(buffer); //put的方法会修改position的值
buffer.put('H');
buffer.put('E');
buffer.put('L');
buffer.put('L');
buffer.put('O');
System.out.println("调用put方法后：");
printBufferInfo(buffer); //flip()：把limit设置为position，再把位置设置为0。
buffer.flip();
System.out.println("调用flip方法后：");
printBufferInfo(buffer);
}執行結果如下： 
#測試rewind()方法
@Test
public void testRewind() {
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
System.out.println("创建默认情况");
printBufferInfo(buffer); //put的方法会修改position的值
buffer.put('H');
buffer.put('E');
buffer.put('L');
buffer.put('L');
buffer.put('O');
buffer.limit(8);
System.out.println("调用put、limit方法后：");
printBufferInfo(buffer); //rewind()：不改变limit，把位置设为0。
buffer.rewind();
System.out.println("调用rewind方法后：");
printBufferInfo(buffer);
} 執行結果如下： 
測試compact()方法
@Test
public void testCompact(){
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
System.out.println("创建默认情况");
printBufferInfo(buffer); //put的方法会修改position的值
buffer.put('H');
buffer.put('E');
buffer.put('L');
buffer.put('L');
buffer.put('O');
buffer.limit(8);//修改limit的值
System.out.println("调用put和limit方法后：");
printBufferInfo(buffer);
System.out.println("调用compact方法后："); //将缓冲区的当前位置和界限之间的字节（如果有）复制到缓冲区的开始处。
buffer.compact();
printBufferInfo(buffer);
}
##這是JDK中介紹此方法的作用：
將緩衝區的目前位置和界限之間的位元組（如果有）複製到緩衝區的開始處。即將索引p = position() 處的位元組複製到索引0 處，將索引p + 1 處的位元組複製到索引1 處，依此類推，直到將索引limit() - 1 處的位元組複製到索引n = limit() - 1 - p 處。然後將緩衝區的位置設為 n+1，並將其界限設定為其容量。如果已定義了標記，則丟棄它。官方表示的太難理解了：#
将缓冲区的当前位置和界限之间的字节（如果有）复制到缓冲区的开始处。并将limit(实际容量)设置为 capacity(最大容量)。执行compact()方法前，limit的值是：8，position的值是：5。按照上面描述的执行完compact()后，position的值计算方式是：n+1;n=limit-1-p;所有n=8-1-5=2,最后position的值为：2+1=3。和程序运行的结果一致。
可以在这种情况：从缓冲区写入数据之后调用此方法，以防写入不完整。
buf.clear(); // Prepare buffer for use
while (in.read(buf) >= 0 || buf.position != 0) {
buf.flip();
out.write(buf);
buf.compact(); // In case of partial write
}如果out.write()方法没有将缓存中的数据读取完，这个时候的position位置指向的是剩余数据的位置。达到防止写入不完整。
通道
作用： 连接缓冲区与数据源或数据目的地。
常用类：
Channel
接口有下面两个子接口ReadableByteChannel和WritableByteChannel和一个抽象实现类SelectableChannel。
在ReadableByteChannel接口中申明了read(ByteBuffer
dst)方法。在WritableByteChannel接口中申明了write(ByteBuffer[]
srcs)：方法。SelectableChannel抽象类中主要方法，configureBlocking(boolean
block)、register();方法。 ByteChannel
接口继承了ReadableChannel和WritableChannel。所以ByteChannel具有读和写的功能。ServerSocketChannel继承了SelectableChannel类抽象类，所以SocketChannel具有设置是否是阻塞模式、向selector注册事件功能。
SocketChannel也继承了SelectableChannel类还实现ByteChannel接口，所以SocketChannel具有设置是否是阻塞模式、向selector注册事件、从缓冲区读写数据的功能。
通过类图展现： 
Selector类：
作用：只要ServerSocketChannel及SocketChannel向Selector注册了特定的事件，Selector就会监听这些事件的发生。
流程：
Selector通过静态的open()方法创建一个Selector对象，SelectableChannel类向Selector注册了特定的事件。Selector就会监控这些事件发生，Selector通过select()监控已发生的SelectionKey对象的数目，通过selectKeys()方法返回对应的selectionKey对象集合。遍历该集合得到相应的selectionKey对象，通过该对象的channel()方法获取关联的SelectableChannel对象，
通过selector()方法就可以获取关联的Selector对象。
Note：
当Selector的select()方法还有一个重载方式:select(long timeout)。并且该方法采用阻塞的工作方式，如果相关事件的selectionKey对象的数目一个也没有，就进入阻塞状态。知道出现以下情况之一，才从select()方法中返回。
至少有一个SelectionKey的相关事件已经发生。
其他线程调用了Selector的wakeup()方法，导致执行select()方法的线程立即返回。
当前执行的select()方法的线程被中断。
超出了等待时间。仅限调用select(long timeout)方法时出现。如果没有设置超时时间，则永远不会超时。
Selector类有两个非常重要的方法： 静态方法open()，这是Selector的静态工厂方法，创建一个Selector对象。
selectedKeys()方法返回被Selector捕获的SelectionKey的集合。
SelectionKey类
作用：
ServerSocketChannel或SocketChannel通过register()方法向Selector注册事件时，register()方法会创建一个SelectionKey对象，该对象是用来跟踪注册事件的句柄。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对象添加到Selected-keys集合中。SelectionKey中定义的事件： 定义了4种事件：
1、SelectionKey.OP_ACCEPT：接收连接就绪事件，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。常量值为16.
2、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。常量值为8.
3、SelectionKey.OP_READ：读就绪事件，表示通道中已经有了可读数据可以执行读操作。常量值为1.
4、SelectionKey.OP_WRITE：写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了。常量值为4.常用方法：
channel()方法：傳回與它關聯的SelectedChannel(包括ServerSocketChannel和SocketChannel)。
selector()方法：傳回與它關聯的Selector物件。
它們之間的關係如下：
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