Java NIO 总结与示例

Java NIO是New IO的简称，它是一种可以替代Java IO的一套新的IO机制。它提供了一套不同于Java标准IO的操作机制。

Java NIO中涉及的基础内容有通道（Channel）和缓冲区（Buffer）、文件IO和网络IO。有关通道、缓冲区以及文件IO在这里不打算进行详细的介绍。这里参考《实战Java高并发程序设计》利用NIO实现一个Echo服务器的服务端与客户端。

在看完Echo服务器实现之后，发现使用NIO进行网络编程跟Linux中的epoll模型是非常类似的。同样是将Channel注册到Selector上，并且说明感兴趣的事件。注册之后调用selector.select()进行阻塞等待。而对于epoll来说，需要使用

epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

进行事件的注册，使用

epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)

来进行事件阻塞等待。epoll在Linux中是一种IO复用技术，感觉NIO对于Java的作用是类似的，一个Selector可以监听多个Channel上的事件，有一个事件（可能有多个）触发时，则进行相应。

对于NIO中的socket来说，感兴趣的事件有以下几类，在SelectionKey中定义：

    public static final int OP_READ = 1 << 0;

    public static final int OP_WRITE= 1 << 2;

    public static final int OP_CONNECT= 1 << 3;

    public static final int OP_ACCEPT =1 << 4;

在Java中使用Socket进行编程的过程跟在Linux上类似，这里大体总结一下：

服务端：

1、使用静态工厂产生一个Selector实例，

    private Selectorselector =null;

    selector = SelectorProvider.provider().openSelector();

2、使用静态工厂产生一个SerSocketChannel，也就是一个服务端的通道

       ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

       serverSocketChannel.configureBlocking(false);

3、将上面的通道（Channel）绑定（bind）到服务器的地址。

       InetSocketAddressinet SocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1",8001);

       serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

4、将服务端Channel注册到Selector，并说明感兴趣的事件。这里的SelectionKey就关联了对应的Channel和Selector。

       SelectionKey acceptKey = serverSocketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

5、服务端等待事件发生（这个过程在一个无限while循环中），这个过程是阻塞的。

      int readyEventNum =selector.select();

6、有事件发生了，获得所有的通道的SelectionKey，进行遍历检查，检查主要是检查这个SelectionKey是对什么事件感兴趣，不同事件有不同的处理。

           Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();

           Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();

           while(iterator.hasNext()){

              SelectionKeyreadyKey=iterator.next();

              //将正在处理的实例移除，否则就会重复处理相同的SelectionKey

              iterator.remove();

               //TODO 检查并处理

               ……

           }//endwhile

客户端编程类似，大家直接看代码吧。

服务端代码：

import java.io.IOException;import java.net.InetAddress;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.Socket;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;import java.util.HashMap;import java.util.Iterator;import java.util.LinkedList;import java.util.Map;import java.util.Set;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;public class NioEchoServer {//selector用于处理每一个网络连接，一个服务端程序使用一个selector实例就够了//这个实例使用静态工厂生成private Selector selector = null;//用于对每一个客户端进行相应的处理，每一个请求都会委托给线程池中的线程进行实际处理private ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();//统计服务器线程在一个客户端花费了多少时间public static Map<Socket,Long> time_stat = new HashMap<Socket,Long>(10240);private void startServer() throws IOException{//服务套接字通道ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.configureBlocking(false);//一个socket地址。InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1",8001);//UnknownHostExceptionserverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);//通过工厂方法获得一个Selector对象的实例selector = SelectorProvider.provider().openSelector();/** * 注意每向selector注册一个channel就返回一个SelectionKey实例 * 一个SelectionKey表示一个SelectableChannel到一个Selector的注册 * 一个Selector可以管理多个SelectableChannel, SocketChannel是SelectableChannel的一个子类 *///这里注册感兴趣的事件为 AcceptSelectionKey acceptKey =  serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);for(;;){//这个select方法是一个阻塞方法，如果没有任何数据准备好，他就会等待，一旦有数据可读//他就会返回，它的返回值是已经准备就绪的SelectionKey数量。int readyEventNum = selector.select();//获取那些准备好的SelectionKey。因为可能多个Chennel已经准备好Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();while(iterator.hasNext()){SelectionKey readyKey = iterator.next();//将正在处理的实例移除，否则就会重复处理相同的SelectionKeyiterator.remove();if(readyKey.isAcceptable()){doAccept(readyKey);}else if(readyKey.isValid() && readyKey.isReadable()){if(!time_stat.containsKey(((SocketChannel)readyKey.channel()).socket())){time_stat.put(((SocketChannel)readyKey.channel()).socket(), System.currentTimeMillis());doRead(readyKey);}}else if(readyKey.isValid() && readyKey.isWritable()){doWrite(readyKey);long end = System.currentTimeMillis();long begin = time_stat.remove(((SocketChannel)readyKey.channel()).socket());System.out.println("spend: "+(end-begin)+" ms");}}//end while}//end for}private void doAccept(SelectionKey selectionKey){ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();SocketChannel clientChannel = null;try{//生成的clientChannel表示和新的客户端通信的通道clientChannel = server.accept();clientChannel.configureBlocking(false);//Register this channel for reading，将新生成的Channel注册到selector选择器上，并告诉Selector，//我现在对读OP_READ操作很感兴趣。这样当Selector发现这个Channel已经准备好读时，就能给线程一个通知SelectionKey clientKey = clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//Allocate an EchoClient instance and attach it to this selection key.//将一个客户端实例作为附件，附加到这个连接的SelectionKey上，这样在连接的处理过程中//我们都可以共享这个EchoClient实例EchoClient echoClient = new EchoClient();clientKey.attach(echoClient);InetAddress clientAddress = clientChannel.socket().getInetAddress();System.out.println("accepted connection from "+ clientAddress.getHostAddress());}catch(Exception e){System.out.println("failed to accept new client.");e.printStackTrace();}}//读完了要private void doRead(SelectionKey selectionKey){SocketChannel channel = (SocketChannel)selectionKey.channel();ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(8192);int len;try{len = channel.read(bb);if(len<0){disconnect(selectionKey);return;}}catch(Exception e){System.out.println("Failed to read from client.");e.printStackTrace();disconnect(selectionKey);return;}bb.flip();pool.execute(new HandleMsg(selectionKey,bb));}private void doWrite(SelectionKey sk){SocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();EchoClient echoClient = (EchoClient) sk.attachment();LinkedList<ByteBuffer> outq = echoClient.getOutputQueue();ByteBuffer byteBuffer = outq.getLast();try{int len = channel.write(byteBuffer);if(len==-1){disconnect(sk);return;}if(byteBuffer.remaining()==0){outq.removeLast();}}catch(Exception e){System.out.println("Failed to write to client");e.printStackTrace();disconnect(sk);}if(outq.size()==0){sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);}}private void disconnect(SelectionKey sk){try {sk.channel().close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}//启动一个新的线程任务来处理消息class HandleMsg implements Runnable{SelectionKey selectionKey;ByteBuffer byteBuffer;public HandleMsg(SelectionKey sk,ByteBuffer bb){this.byteBuffer = bb;this.selectionKey = sk;}@Overridepublic void run(){EchoClient echoClient = (EchoClient)selectionKey.attachment();echoClient.enqueue(byteBuffer);//从此对写也很感兴趣，那这个通道空了就可以写了？selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);//强迫selector立即返回selector.wakeup();}}public static void main(String[] args) throws IOException {NioEchoServer server = new NioEchoServer();server.startServer();}/** * 一个EchoClient代表一个客户端，保存所有收到的ByteBuffer缓冲 * @version 创建时间：2016年8月14日 下午7:27:51 */class EchoClient {private LinkedList<ByteBuffer> outq = null;EchoClient(){outq = new LinkedList<ByteBuffer>();}public LinkedList<ByteBuffer> getOutputQueue(){return outq;}public void enqueue(ByteBuffer bb){outq.addFirst(bb);}}}

客户端代码：

import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;import java.util.Iterator;/** * 用Nio实现EchoServer的客户端 * @version 创建时间：2016年8月14日 下午5:17:26 */public class ClientNio {//同样是一个客户端使用一个selector实例，这个实例也是使用静态工厂生成的private Selector selector = null;public void init(String ip,int port) throws IOException{//使用静态工厂产生一个channelSocketChannel channel = SocketChannel.open();channel.configureBlocking(false);this.selector = SelectorProvider.provider().openSelector();//将这个通道连接到服务端channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));//这个通道暂时只对 "读" 感兴趣channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);}public void working()throws IOException{while(true){if(!selector.isOpen())break;//阻塞，直到有事件发生selector.select();//获取所有发生的时间，并进行遍历Iterator<SelectionKey> iterator = this.selector.selectedKeys().iterator();while(iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if(key.isConnectable()){  //连接事件connect(key);}else if(key.isReadable()){  //读事件read(key);}}}}public void connect(SelectionKey selectionKey) throws IOException{SocketChannel channel = (SocketChannel)selectionKey.channel();//如果正在连接，则完成连接if(channel.isConnectionPending()){channel.finishConnect();}channel.configureBlocking(false);//这里进行了一系列转换：String -> byte[] -> ByteBuffer//调用的方法依次是 String.getBytes() ByteBuffer.wrap()channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("hello server.\r\n").getBytes()));//从此这个channel对读感兴趣channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);}public void read(SelectionKey key) throws IOException{SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);channel.read(buffer);byte[] data = buffer.array();String msg = new String(data).trim();System.out.println("client receive: "+msg);channel.close();key.selector().close();}public static void main(String[] args) {ClientNio client = new ClientNio();try {client.init("127.0.0.1", 8001);client.working();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}

参考《实战Java高并发程序设计》