JAVA NIO程式設計入門（二）

NIO Java · 發表 2018-09-10 11:35:40

摘要：上一篇文章 JAVA NIO程式設計入門（一）我們學習了NIO程式設計的基礎知識，並通過一個小demo實戰幫助瞭解NIO程式設計的channel，buffer等概念。本文會繼續學習JAVA NIO程式設計，並通過一個小示例來幫助理解相關知識，通過本文你將可以學習到 buffe...

上一篇文章 JAVA NIO程式設計入門（一）我們學習了NIO程式設計的基礎知識，並通過一個小demo實戰幫助瞭解NIO程式設計的channel，buffer等概念。本文會繼續學習JAVA NIO程式設計，並通過一個小示例來幫助理解相關知識，通過本文你將可以學習到

buffer的聚集和分散（Scatter/Gather）
SocketChannel和ServerSocketChannel的使用
選擇器的使用

二、什麼是聚集和分散（Scatter/Gather）

分散（scatter）從Channel中讀取是指在讀操作時將讀取的資料寫入多個buffer中。因此，Channel將從Channel中讀取的資料“分散（scatter）”到多個Buffer中。
聚集（gather）寫入Channel是指在寫操作時將多個buffer的資料寫入同一個Channel，因此，Channel 將多個Buffer中的資料“聚集（gather）”後傳送到Channel。

分散（Scatter）示意圖

從通道填充buffer，必須填充完前一個buffer才會填充後面的buffer，這也意味著不能動態調整每個buffer的接受大小。

聚集（Gather）示意圖

聚集和分散是相反的形式，從buffer寫入資料到通道，只會寫入buffer的positon位置到limit位置的內容，也就是意味著可以動態的寫入內容到通道中。

三、選擇器

什麼是選擇器

Selector（選擇器）是Java NIO中能夠檢測多個NIO通道，並能夠知道通道是否為諸如讀寫事件做好準備的元件。這樣，一個單獨的執行緒可以管理多個channel，從而管理多個網路連線，提高效率。

為什麼要用選擇器

使用了選擇器就可以用一個執行緒管理多個channel，如果多個channel由多個執行緒管理，執行緒之前的切換是消耗資源的，而單個執行緒就避免了執行緒之間切換的消耗。

選擇器常用方法

方法名	功能
register(Selector sel, int ops)	向選擇器註冊通道，並且可以選擇註冊指定的事件，目前事件分為4種；1.Connect，2.Accept，3.Read，4.Write，一個通道可以註冊多個事件
select()	阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒了
selectNow()	不會阻塞，不管什麼通道就緒都立刻返回
select(long timeout)	和select()一樣，除了最長會阻塞timeout毫秒(引數)
selectedKeys()	一旦呼叫了select()方法，並且返回值表明有一個或更多個通道就緒了，然後可以通過呼叫selector的selectedKeys()方法，訪問“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道
wakeUp()	可以使呼叫select()阻塞的物件返回，不阻塞。
close()	用完Selector後呼叫其close()方法會關閉該Selector，且使註冊到該Selector上的所有SelectionKey例項無效。通道本身並不會關閉

四、實戰

實戰需求說明

編碼客戶端和服務端，服務端可以接受客戶端的請求，並返回一個報文，客戶端接受報文並解析輸出。

服務端程式碼

try {
//建立一個服socket並開啟
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//監聽繫結8090埠
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8090));
//設定為非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while(true){
//獲取請求連線
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel!=null){
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(buf1);
buf1.flip();
if(buf1.hasRemaining())
System.out.println(">>>服務端收到資料："+new String(buf1.array()));
buf1.clear();
//構造返回的報文，分為頭部和主體，實際情況可以構造複雜的報文協議，這裡只演示，不做特殊設計。
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
header.put("[head]".getBytes());
ByteBuffer body= ByteBuffer.allocate(1024);
body.put("i am body!".getBytes());
header.flip();
body.flip();
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
socketChannel.write(bufferArray);

socketChannel.close();
}else{
Thread.sleep(1000);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
複製程式碼

服務端selector(選擇器版本)

try {
//開啟選擇器
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8090));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//向通道註冊選擇器，並且註冊接受事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
//獲取已經準備好的通道數量
int readyChannels = selector.selectNow();
//如果沒準備好，重試
if (readyChannels == 0) continue;
//獲取準備好的通道中的事件集合
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
//在自己註冊的事件中寫業務邏輯，
//我這裡註冊的是accept事件，
//這部分邏輯和上面非選擇器服務端程式碼一樣。
ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel1.accept();
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(buf1);
buf1.flip();
if (buf1.hasRemaining())
System.out.println(">>>服務端收到資料：" + new String(buf1.array()));
buf1.clear();

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
header.put("[head]".getBytes());
ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);
body.put("i am body!".getBytes());
header.flip();
body.flip();
ByteBuffer[] bufferArray = {header, body};
socketChannel.write(bufferArray);

socketChannel.close();
} else if (key.isConnectable()) {
} else if (key.isReadable()) {
} else if (key.isWritable()) {

}
//注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()呼叫。
//Selector不會自己從已選擇鍵集中移除SelectionKey例項。必須在處理完通道時自己移除。
//下次該通道變成就緒時，Selector會再次將其放入已選擇鍵集中
keyIterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
複製程式碼

客戶端程式碼

try {
//開啟socket連線，連線本地8090埠，也就是服務端
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8090));
//請求服務端，傳送請求
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
buf1.put("來著客戶端的請求".getBytes());
buf1.flip();
if (buf1.hasRemaining())
socketChannel.write(buf1);
buf1.clear();
//接受服務端的返回，構造接受緩衝區，我們定義頭6個位元組為頭部，後續其他位元組為主體內容。
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
ByteBuffer body= ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

socketChannel.read(bufferArray);
header.flip();
body.flip();
if (header.hasRemaining())
System.out.println(">>>客戶端接收頭部資料：" + new String(header.array()));
if (body.hasRemaining())
System.out.println(">>>客戶端接收body資料：" + new String(body.array()));
header.clear();
body.clear();


socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
複製程式碼

執行結果

服務端：

客戶端：

這裡給出了服務端程式碼的兩個版本，一個是非選擇器的版本，一個是選擇器的版本。檢視最後執行結果，發現客戶端根據雙方約定的協議格式，正確解析到了頭部和body的內容，其實這也是聚集和分散最主要的作用和應用場景，在網路互動中，進行協議報文格式的定義和實現。後續學完NIO程式設計入門後我們最後進行總結性的實戰，編寫一個RPC的demo框架，實現分散式系統的遠端呼叫，有興趣的同學可以關注筆者和後續的文章。