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

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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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