Java NIO Socket通信

一 套接字通道

1. 阻塞式套接字通道

    與Socket和ServerSocket對應，NIO提供了SocketChannel和ServerSocketChannel對應，這兩種通道同時支持一般的阻塞模式和更高效的非阻塞模式。

    客戶端通過SocketChannel.open()方法打開一個Socket通道，如果此時提供了SocketAddress參數，則會自動開始連接，否則需要主動調用connect()方法連接，創建連接后，可以像一般的Channel一樣的用Buffer進行讀寫，這都是阻塞模式的。

    服務器端通過ServerSocketChannel.open()創建，并使用bind()方法綁定到一個監聽地址上，最后調用accept()方法阻塞等待客戶端連接。當客戶端連接后會返回一個SocketChannel以實現與客戶端的讀寫交互。

    總的來說，阻塞模式即是net包I/O的翻版，只是采用Channel和Buffer實現而已。

2.多路復用套接字通道(Selector實現的非阻塞式IO)

    套接字通道多路復用的思想是創建一個Selector，將多個通道對它進行注冊，當套接字有關注的事件發生時，可以選出這個通道進行操作。

    服務器端的代碼如下，相關說明就帶在注釋里了:

// 創建一個選擇器，可用close()關閉，isOpen()表示是否處于打開狀態，他不隸屬于當前線程
Selector selector = Selector.open();
// 創建ServerSocketChannel，并把它綁定到指定端口上
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7777));
// 設置為非阻塞模式, 這個非常重要
server.configureBlocking(false);
// 在選擇器里面注冊關注這個服務器套接字通道的accept事件
// ServerSocketChannel只有OP_ACCEPT可用，OP_CONNECT,OP_READ,OP_WRITE用于SocketChannel
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
    // 測試等待事件發生，分為直接返回的selectNow()和阻塞等待的select()，另外也可加一個參數表示阻塞超時
    // 停止阻塞的方法有兩種: 中斷線程和selector.wakeup()，有事件發生時，會自動的wakeup()
    // 方法返回為select出的事件數(參見后面的注釋有說明這個值為什么可能為0).
    // 另外務必注意一個問題是，當selector被select()阻塞時，其他的線程調用同一個selector的register也會被阻塞到select返回為止
    // select操作會把發生關注事件的Key加入到selectionKeys中(只管加不管減)
    if (selector.select() == 0) { //
        continue;
    }

    // 獲取發生了關注時間的Key集合，每個SelectionKey對應了注冊的一個通道
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    // 多說一句selector.keys()返回所有的SelectionKey(包括沒有發生事件的)
    for (SelectionKey key : keys) {
        // OP_ACCEPT 這個只有ServerSocketChannel才有可能觸發
        if (key.isAcceptable()) {
            // 得到與客戶端的套接字通道
            SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
            // 同樣設置為非阻塞模式
            channel.configureBlocking(false);
            // 同樣將于客戶端的通道在selector上注冊，OP_READ對應可讀事件(對方有寫入數據),可以通過key獲取關聯的選擇器
            channel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
        }
        // OP_READ 有數據可讀
        if (key.isReadable()) {
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            // 得到附件，就是上面SocketChannel進行register的時候的第三個參數,可為隨意Object
            ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
            // 讀數據 這里就簡單寫一下，實際上應該還是循環讀取到讀不出來為止的
            channel.read(buffer);
            // 改變自身關注事件，可以用位或操作|組合時間
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        }
        // OP_WRITE 可寫狀態 這個狀態通常總是觸發的，所以只在需要寫操作時才進行關注
        if (key.isWritable()) {
            // 寫數據掠過，可以自建buffer，也可用附件對象(看情況),注意buffer寫入后需要flip
            // ......
            // 寫完就吧寫狀態關注去掉，否則會一直觸發寫事件
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }

        // 由于select操作只管對selectedKeys進行添加，所以key處理后我們需要從里面把key去掉
        keys.remove(key);
    }
}

這里需要著重說明一下select操作做了什么(根據現象推的，具體好像沒有找到這個的文檔說明)，他每次檢查keys里面每個Key對應的通道的狀態，如果有關注狀態時，就決定返回，這時會同時將Key對象加入到selectedKeys中，并返回selectedKeys本次變化的對象數(原本就在selectedKeys中的對象是不計的)，由于一個Key對應一個通道(可能同時處于多個狀態，所以注意上面的if語句我都沒有寫else)，所以select返回0也是有可能的。另外OP_WRITE和OP_CONNET這兩個狀態是不能長期關注的，只在有需要的時候監聽，處理完必須馬上去掉。如果沒有發現有任何關注狀態，select會一直阻塞到有狀態變化或者超時什么的。

SelectionKey的其他幾個方法，attach(Object)為key設置附件，并返回之前的附件；interestOps()和readyOps()返回關注狀態和當前狀態；cancel()為取消注冊；isValid()表示key是否有效(在key取消注冊，通道關閉，選擇器關閉這三個事情發生之前，key均為有效的，但不包括對方關閉通道，所以讀寫應注意異常)。

    還有一個狀態上面沒有使用，OP_CONNECT這個主要是用于客戶端，對應的key的方法是isConnectable()表示已經創建好了連接。

非阻塞實現的客戶端如下:

Selector selector = Selector.open();
// 創建一個套接字通道，注意這里必須使用無參形式
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 設置為非阻塞模式，這個方法必須在實際連接之前調用(所以open的時候不能提供服務器地址，否則會自動連接)
channel.configureBlocking(false);
// 連接服務器，由于是非阻塞模式，這個方法會發起連接請求，并直接返回false(阻塞模式是一直等到鏈接成功并返回是否成功)
channel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7777));
// 注冊關聯鏈接狀態
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
while (true) {
    // 前略 和服務器端的類似
    // ...
    // 獲取發生了關注時間的Key集合，每個SelectionKey對應了注冊的一個通道
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        // OP_CONNECT 兩種情況，鏈接成功或失敗這個方法都會返回true
        if (key.isConnectable()) {
            // 由于非阻塞模式，connect只管發起連接請求，finishConnect()方法會阻塞到鏈接結束并返回是否成功
            // 另外還有一個isConnectionPending()返回的是是否處于正在連接狀態(還在三次握手中)
            if (channel.finishConnect()) {
                // 鏈接成功了可以做一些自己的處理，略
                // ...
                // 處理完后必須吧OP_CONNECT關注去掉，改為關注OP_READ
                key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            }
        }
        // 后略 和服務器端的類似
        // ...
    }
}

    雖然例子是這樣的，不過服務器和客戶端可以自己單方面選擇是否采用非阻塞模式，用阻塞模式的客戶端連接非阻塞模式的服務器端是OK的。

二 NIO2的異步IO通道

以下API是由Java7提供。老版本無法使用。

    異步IO通道的實現有兩種實現方式，一是在阻塞模式的原方法(主要指的是read和write,具體可以查看API文檔)上傳于一個CompletionHandler實例以實現回調，另外也可以令其返回一個Future實例(Java5新增同步工具包java.util.concurrent中的API)，然后再適當的時候通過其get方法來獲取返回的結果。異步文件I/O通道為AsynchronousFileChannel，而異步套接字通道為AsynchronousServerSocketChannel，分別對應其各自的原始通道。

    異步I/O需要與一個AsynchronousChannelGroup對象關聯，他實質上就是一個用于I/O的線程池。AsynchronousChannelGroup對象可以通過其自身靜態方法的withThreadPool()，withCachedThreadPool()，withFixedThreadPool()提供一個線程池來創建(線程池也是Java5新增同步工具包java.util.concurrent中的API)。在異步通道創建open()時，可將這個對象傳入進行關聯。如果沒有提供這個對象的話，就默認使用系統分組。但是需要注意的是系統分組的線程池是個守護線程池，JVM是可能在沒有讀寫完成前正常結束的。AsynchronousChannelGroup在使用完后需要shutdowm()，這方面和線程池的關閉是類似的。