用java.nio.*进行网络编程

因为打算用java编写异步通信的server和client程序，笔者便学习使用java.nio
开发包，其间遇到一些问题，上网却发现网上对它的应用描述的不是很多。所以，笔者不惜班门弄斧，做些简单的讨论，以便大家更进一步的讨论。

对相关类的简单介绍
    java.nio.*, 据说它提供了一些更加底层的一些功能，如:类似windows环境下的
AsyncSocket类的异步操作的功能，能显著降低server端程序的线程管理开销。
    因为大多数应用是建立在TCP之上，所以在此只说说SocketChannel，
ServerSocketChannel，Selector和ByteBuffer这几个类.前三个最终都源自channel类。而channel 类，可以理解为在具体I/O或文件对象之上抽象的一个操作对象，我们通过操作channel的读写达到对其对应的文件或I/O对象(包括socket)读写的目的。读写的内容在内存中放在ByteBuffer类提供的缓冲区。总而言之，channel作为一个桥梁，连接了I/O对象和内存中的ByteBuffer，实现了I/O的更高效的存取。
    一个基于TCP的服务器端程序，必然有个侦听端和若干个通信端，它们在nio中由对应的ServerSocketChannel 和SocketChannel类来实现。为了达到异步I/O操作的目的，需要Selector类，它能检测到I/O对象的状态。

    SocketChannel类是抽象类，通过调用它的静态函数open()，可生成一个
SocketChannel对象，该对象对应一个java.net.Socket，可通过SocketChannel.socket()获得，而其对应的Socket也可通过调用函数getChannel()得到已建立的相应SocketChannel。
    SocketChannel与它的socket是一一对应的。SocketChannel的操作与Socket也很相似.

    ServerSocketChannel也是通过调用它的静态函数open()生成的，只是它不能
直接调用bind()函数来绑定一个地址，需要它对应的ServerSocket来完成绑定工作，一般可按如下步骤做:
    ServerSocketChannel ssc = new ServerSocketChannel.open();
    ssc.socket().bind(InetSocketAddress(host，port));

    罗嗦了半天，还是看看最简单的C/S实现吧，服务器提供了基本的回射（echo）功
能，其中提供了较详细的注释。

源码分析

1.服务器端：
////////////////////////
//AsyncServer.java
//   by [e-mail]
////////////////////////
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectableChannel;
import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.io.IOException;

class AsyncServer implements Runnable{
 private ByteBuffer r_buff = ByteBuffer.allocate(1024);
 private ByteBuffer w_buff = ByteBuffer.allocate(1024);
 private static int port = 8848;
 
 public AsyncServer(){
  new Thread(this).start();
 }
 
 public void run(){   
  try{
   //生成一个侦听端
   ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
   //将侦听端设为异步方式
   ssc.configureBlocking(false);
   //生成一个信号监视器
   Selector s = Selector.open();
   //侦听端绑定到一个端口
   ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
   //设置侦听端所选的异步信号OP_ACCEPT
   ssc.register(s,SelectionKey.OP_ACCEPT);
  
   System.out.println("echo server has been set up ......");
 
   while(true){
    int n = s.select();
    if (n == 0) {//没有指定的I/O事件发生
     continue;
    }    
    Iterator it = s.selectedKeys().iterator();    
    while (it.hasNext()) {
     SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
     if (key.isAcceptable()) {//侦听端信号触发
      ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
      //接受一个新的连接
      SocketChannel sc = server.accept();
      sc.configureBlocking(false);
      //设置该socket的异步信号OP_READ:当socket可读时，

     //触发函数DealwithData();
      sc.register(s,SelectionKey.OP_READ);
     }  
     if (key.isReadable()) {//某socket可读信号
      DealwithData(key);
     }    
     it.remove();
    }
   }
  }
  catch(Exception e){
   e.printStackTrace();
  }
 }
 
 public void DealwithData(SelectionKey key) throws IOException{
  int count;
  //由key获取指定socketchannel的引用
  SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
  r_buff.clear();
  //读取数据到r_buff
  while((count = sc.read(r_buff))> 0)
   ;
  //确保r_buff可读
  r_buff.flip();
 
  w_buff.clear();
  //将r_buff内容拷入w_buff 
  w_buff.put(r_buff);
  w_buff.flip();
  //将数据返回给客户端
  EchoToClient(sc);
 
  w_buff.clear();
  r_buff.clear();
 }
 
 public void EchoToClient(SocketChannel sc) throws IOException{
  while(w_buff.hasRemaining())
   sc.write(w_buff);
 }
 
 public static void main(String args[]){
  if(args.length > 0){
   port = Integer.parseInt(args[0]);
  }
  new AsyncServer();
 }
}

在当前目录下运行：
    javac AsynServer.java
后，若无编译出错，接下来可运行：
    java AsynServer  或 java AsynServer ×××（端口号）
上述服务程序在运行时，可指定其侦听端口，否则程序会取8848为默认端口。

 

2.客户端的简单示例:

////////////////////////
//AsyncClient.java
//   by [e-mail]
////////////////////////
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.io.IOException;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;

class AsyncClient{
 private SocketChannel sc;
 private final int MAX_LENGTH = 1024;
 private ByteBuffer r_buff = ByteBuffer.allocate(MAX_LENGTH);
 private ByteBuffer w_buff = ByteBuffer.allocate(MAX_LENGTH);
 private static String host ;
 private static int port = 8848;
 
 public AsyncClient(){
  try {
   InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(host,port);
   //生成一个socketchannel
   sc = SocketChannel.open();
        
   //连接到server
   sc.connect(addr);
   while(!sc.finishConnect())
    ; 
   System.out.println("connection has been established!...");
   
   while(true){
    //回射消息
    String echo;
    try{
     System.err.println("Enter msg you'd like to send:  ");
     BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
     //输入回射消息
     echo = br.readLine();
    
     //把回射消息放入w_buff中   
     w_buff.clear();
     w_buff.put(echo.getBytes());
     w_buff.flip();
    }catch(IOException ioe){
     System.err.println("sth. is wrong with br.readline() ");
    }   
 
    //发送消息
    while(w_buff.hasRemaining())
     sc.write(w_buff);
    w_buff.clear();   
   
    //进入接收状态
    Rec();
    //间隔1秒
    Thread.currentThread().sleep(1000);
   } 
  }catch(IOException ioe){
   ioe.printStackTrace();
  }
  catch(InterruptedException ie){
   ie.printStackTrace();
  } 
 }

 

////////////
 //读取server端发回的数据，并显示
 public void Rec() throws IOException{
  int count;
  r_buff.clear();
  count=sc.read(r_buff);
  r_buff.flip(); 
  byte[] temp = new byte[r_buff.limit()];
  r_buff.get(temp);
  System.out.println("reply is " + count +" long, and content is: " + new String(temp));
 }
 
 public static void main(String args[]){
  if(args.length < 1){//输入需有主机名或IP地址
   try{
    System.err.println("Enter host name: ");
    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    host = br.readLine();
   }catch(IOException ioe){
    System.err.println("sth. is wrong with br.readline() ");
   }
  }
  else if(args.length == 1){
   host = args[0];
  }
  else if(args.length > 1){
   host = args[0];
   port = Integer.parseInt(args[1]);
  }

  new AsyncClient();
 }
}

在当前目录下运行：
  javac AsynClient.java
后，若无编译出错，确认AsyncServer已经运行的情况下，接下来可运行：
  java AsynClient hostname 或 java AsynClient hostname ×××（端口号）
并按提示进行操作即可。

总结
    总的来说，用nio进行网络编程还是很有新意的，服务器端软件能在一个线程中维护与众多客户端的通信连接。笔者在本文中试图用一个典型的回射例子说明如何用nio建立最基本的C/S应用。希望大家能试着用用它。
    另外，笔者在实践中也发现nio在应用中存在的一些难题，比如如何应用SocketChannel的继承类，以及如何在socketchannel之上应用SSL（Secure Socket Layer）等等，因而希望这篇文章只是抛砖引玉，引起大家对nio作进一步的讨论。

在当前目录下运行：
    javac AsynServer.java
后，若无编译出错，接下来可运行：
    java AsynServer  或 java AsynServer ×××（端口号）
上述服务程序在运行时，可指定其侦听端口，否则程序会取8848为默认端口。

 

2.客户端的简单示例:

////////////////////////
//AsyncClient.java
//   by [e-mail]
////////////////////////
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.io.IOException;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;

class AsyncClient{
 private SocketChannel sc;
 private final int MAX_LENGTH = 1024;
 private ByteBuffer r_buff = ByteBuffer.allocate(MAX_LENGTH);
 private ByteBuffer w_buff = ByteBuffer.allocate(MAX_LENGTH);
 private static String host ;
 private static int port = 8848;
 
 public AsyncClient(){
  try {
   InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(host，port);
   //生成一个socketchannel
   sc = SocketChannel.open();
        
   //连接到server
   sc.connect(addr);
   while(!sc.finishConnect())
    ; 
   System.out.println("connection has been established!...");
   
   while(true){
    //回射消息
    String echo;
    try{
     System.err.println("Enter msg you'd like to send:  ");
     BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
     //输入回射消息
     echo = br.readLine();
    
     //把回射消息放入w_buff中   
     w_buff.clear();
     w_buff.put(echo.getBytes());
     w_buff.flip();
    }catch(IOException ioe){
     System.err.println("sth. is wrong with br.readline() ");
    }   
 
    //发送消息
    while(w_buff.hasRemaining())
     sc.write(w_buff);
    w_buff.clear();   
   
    //进入接收状态
    Rec();
    //间隔1秒
    Thread.currentThread().sleep(1000);
   } 
  }catch(IOException ioe){
   ioe.printStackTrace();
  }
  catch(InterruptedException ie){
   ie.printStackTrace();
  } 
 }
 
 ////////////
 // 读取server端发回的数据，并显示
 public void Rec() throws IOException{
  int count;
  r_buff.clear();
  while((count=sc.read(r_buff))>0)
   ;
  r_buff.flip(); 
  byte[] temp = new byte[r_buff.limit()];
  System.out.println("reply is : " + new String(temp));
 }
 
 public static void main(String args[]){
  if(args.length < 1){//输入需有主机名或IP地址
   try{
    System.err.println("Enter host name: ");
    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    host = br.readLine();
   }catch(IOException ioe){
    System.err.println("sth. is wrong with br.readline() ");
   }
  }
  else if(args.length == 1){
   host = args[0];
  }
  else if(args.length > 1){
   host = args[0];
   port = Integer.parseInt(args[1]);
  }

  new AsyncClient();
 }
}

在当前目录下运行：
   javac AsynClient.java
后，若无编译出错，确认AsyncServer已经运行的情况下，接下来可运行：
   java AsynClient hostname 或 java AsynClient hostname ×××（端口号）
并按提示进行操作即可。

总结
    总的来说，用nio进行网络编程还是很有新意的，服务器端软件能在一个线程中维护与众多客户端的通信连接。笔者在本文中试图用一个典型的回射例子说明如何用nio建立最基本的C/S应用。希望大家能试着用用它。
    另外，笔者在实践中也发现nio在应用中存在的一些难题，比如如何应用SocketChannel的继承类，以及如何在socketchannel之上应用SSL（Secure Socket Layer）等等，因而希望这篇文章只是抛砖引玉，引起大家对nio作进一步的讨论。