Java网络编程-IO多路复用(单线程)

1. 简介

IO多路复用(multiplexing)属于同步IO网络模型

是以Reactor模式实现

常见的IO多路复用应用有：select、poll、epoll

有关于select的应用方式，请参阅[C语言] 基于Linux的一对一Socket简易聊天程序实例

本篇文章采用Java的NIO框架来实现单线程的IO多路复用

2. Reactor模式的组成角色

1. Reactor：负责派发IO事件给对应的角色处理。为了监听IO事件，select必须实现在Reactor中。

2. Acceptor：负责接受client的连线，然后给client绑定一个Handler并注册IO事件到Reactor上监听。

3. Handler：负责处理与client交互的事件或行为。通常因为Handler要处理与所对应client交互的多个事件或行为，为了简化设计，会以状态模式来实现Handler。

3. 代码实现

[TCPReactor.java]

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1. // Reactor線程  
2. package server;  
3.   
4. import java.io.IOException;  
5. import java.net.InetSocketAddress;  
6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
7. import java.nio.channels.Selector;  
8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
9. import java.util.Iterator;  
10. import java.util.Set;  
11.   
12. public class TCPReactor implements Runnable {  
13.   
14.     private final ServerSocketChannel ssc;  
15.     private final Selector selector;  
16.   
17.     public TCPReactor(int port) throws IOException {  
18.         selector = Selector.open();  
19.         ssc = ServerSocketChannel.open();  
20.         InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(port);  
21.         ssc.socket().bind(addr); // 在ServerSocketChannel綁定監聽端口  
22.         ssc.configureBlocking(false); // 設置ServerSocketChannel為非阻塞  
23.         SelectionKey sk = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // ServerSocketChannel向selector註冊一個OP_ACCEPT事件，然後返回該通道的key  
24.         sk.attach(new Acceptor(selector, ssc)); // 給定key一個附加的Acceptor對象  
25.     }  
26.   
27.     @Override  
28.     public void run() {  
29.         while (!Thread.interrupted()) { // 在線程被中斷前持續運行  
30.             System.out.println("Waiting for new event on port: " + ssc.socket().getLocalPort() + "...");  
31.             try {  
32.                 if (selector.select() == 0) // 若沒有事件就緒則不往下執行  
33.                     continue;  
34.             } catch (IOException e) {  
35.                 // TODO Auto-generated catch block  
36.                 e.printStackTrace();  
37.             }  
38.             Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 取得所有已就緒事件的key集合  
39.             Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();  
40.             while (it.hasNext()) {  
41.                 dispatch((SelectionKey) (it.next())); // 根據事件的key進行調度  
42.                 it.remove();  
43.             }  
44.         }  
45.     }  
46.   
47.     /* 
48.      * name: dispatch(SelectionKey key) 
49.      * description: 調度方法，根據事件綁定的對象開新線程 
50.      */  
51.     private void dispatch(SelectionKey key) {  
52.         Runnable r = (Runnable) (key.attachment()); // 根據事件之key綁定的對象開新線程  
53.         if (r != null)  
54.             r.run();  
55.     }  
56.   
57. }  

[Acceptor.java]

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1. // 接受連線請求線程  
2. package server;  
3.   
4. import java.io.IOException;  
5. import java.nio.channels.SelectionKey;  
6. import java.nio.channels.Selector;  
7. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
9.   
10. public class Acceptor implements Runnable {  
11.   
12.     private final ServerSocketChannel ssc;  
13.     private final Selector selector;  
14.       
15.     public Acceptor(Selector selector, ServerSocketChannel ssc) {  
16.         this.ssc=ssc;  
17.         this.selector=selector;  
18.     }  
19.       
20.     @Override  
21.     public void run() {  
22.         try {  
23.             SocketChannel sc= ssc.accept(); // 接受client連線請求  
24.             System.out.println(sc.socket().getRemoteSocketAddress().toString() + " is connected.");  
25.               
26.             if(sc!=null) {  
27.                 sc.configureBlocking(false); // 設置為非阻塞  
28.                 SelectionKey sk = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // SocketChannel向selector註冊一個OP_READ事件，然後返回該通道的key  
29.                 selector.wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
30.                 sk.attach(new TCPHandler(sk, sc)); // 給定key一個附加的TCPHandler對象  
31.             }  
32.               
33.         } catch (IOException e) {  
34.             // TODO Auto-generated catch block  
35.             e.printStackTrace();  
36.         }  
37.     }  
38.   
39.       
40. }  

我们先来简单点的，Handler不以​​状态模式实现，只以比较直觉的方式实现。

[TCPHandler.java]

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1. // Handler線程  
2. package server;  
3.   
4. import java.io.IOException;  
5. import java.nio.ByteBuffer;  
6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
7. import java.nio.channels.SocketChannel;  
8. import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;  
9. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
10. import java.util.concurrent.TimeUnit;  
11.   
12. public class TCPHandler implements Runnable {  
13.   
14.     private final SelectionKey sk;  
15.     private final SocketChannel sc;  
16.   
17.     int state;   
18.   
19.     public TCPHandler(SelectionKey sk, SocketChannel sc) {  
20.         this.sk = sk;  
21.         this.sc = sc;  
22.         state = 0; // 初始狀態設定為READING  
23.     }  
24.   
25.     @Override  
26.     public void run() {  
27.         try {  
28.             if (state == 0)  
29.                 read(); // 讀取網絡數據  
30.             else  
31.                 send(); // 發送網絡數據  
32.   
33.         } catch (IOException e) {  
34.             System.out.println("[Warning!] A client has been closed.");  
35.             closeChannel();  
36.         }  
37.     }  
38.       
39.     private void closeChannel() {  
40.         try {  
41.             sk.cancel();  
42.             sc.close();  
43.         } catch (IOException e1) {  
44.             e1.printStackTrace();  
45.         }  
46.     }  
47.   
48.     private synchronized void read() throws IOException {  
49.         // non-blocking下不可用Readers，因為Readers不支援non-blocking  
50.         byte[] arr = new byte[1024];  
51.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(arr);  
52.           
53.         int numBytes = sc.read(buf); // 讀取字符串  
54.         if(numBytes == -1)  
55.         {  
56.             System.out.println("[Warning!] A client has been closed.");  
57.             closeChannel();  
58.             return;  
59.         }  
60.         String str = new String(arr); // 將讀取到的byte內容轉為字符串型態  
61.         if ((str != null) && !str.equals(" ")) {  
62.             process(str); // 邏輯處理  
63.             System.out.println(sc.socket().getRemoteSocketAddress().toString()  
64.                     + " > " + str);  
65.             state = 1; // 改變狀態  
66.             sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); // 通過key改變通道註冊的事件  
67.             sk.selector().wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
68.         }  
69.     }  
70.   
71.     private void send() throws IOException  {  
72.         // get message from message queue  
73.           
74.         String str = "Your message has sent to "  
75.                 + sc.socket().getLocalSocketAddress().toString() + "\r\n";  
76.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(str.getBytes()); // wrap自動把buf的position設為0，所以不需要再flip()  
77.   
78.         while (buf.hasRemaining()) {  
79.             sc.write(buf); // 回傳給client回應字符串，發送buf的position位置 到limit位置為止之間的內容  
80.         }  
81.           
82.         state = 0; // 改變狀態  
83.         sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); // 通過key改變通道註冊的事件  
84.         sk.selector().wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
85.     }  
86.       
87.     void process(String str) {  
88.         // do process(decode, logically process, encode)..  
89.         // ..  
90.     }  
91. }  

最后是主程序代码

[Main.java]

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1. package server;  
2.   
3. import java.io.IOException;  
4.   
5. public class Main {  
6.   
7.       
8.     public static void main(String[] args) {  
9.         // TODO Auto-generated method stub  
10.         try {  
11.             TCPReactor reactor = new TCPReactor(1333);  
12.             reactor.run();  
13.         } catch (IOException e) {  
14.             // TODO Auto-generated catch block  
15.             e.printStackTrace();  
16.         }  
17.     }  
18.   
19. }  

下面附上客戶端代碼：

[Client.java]

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1. package main.pkg;  
2.   
3. import java.io.BufferedReader;  
4. import java.io.IOException;  
5. import java.io.InputStreamReader;  
6. import java.io.PrintWriter;  
7. import java.net.Socket;  
8. import java.net.UnknownHostException;  
9.   
10. public class Client {  
11.   
12.     /** 
13.      * @param args 
14.      */  
15.     public static void main(String[] args) {  
16.         // TODO Auto-generated method stub  
17.         String hostname=args[0];  
18.         int port = Integer.parseInt(args[1]);  
19.         //String hostname="127.0.0.1";  
20.         //int port=1333;  
21.           
22.         System.out.println("Connecting to "+ hostname +":"+port);  
23.         try {  
24.             Socket client = new Socket(hostname, port); // 連接至目的地  
25.             System.out.println("Connected to "+ hostname);  
26.               
27.             PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream());  
28.             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));  
29.             BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));  
30.             String input;  
31.               
32.             while((input=stdIn.readLine()) != null) { // 讀取輸入  
33.                 out.println(input); // 發送輸入的字符串  
34.                 out.flush(); // 強制將緩衝區內的數據輸出  
35.                 if(input.equals("exit"))  
36.                 {  
37.                     break;  
38.                 }  
39.                 System.out.println("server: "+in.readLine());  
40.             }  
41.             client.close();  
42.             System.out.println("client stop.");  
43.         } catch (UnknownHostException e) {  
44.             // TODO Auto-generated catch block  
45.             System.err.println("Don't know about host: " + hostname);  
46.         } catch (IOException e) {  
47.             // TODO Auto-generated catch block  
48.             System.err.println("Couldn't get I/O for the socket connection");  
49.         }  
50.           
51.     }  
52.   
53. }