当前环境

1. jdk == 1.8

代码地址

git 地址：https://github.com/jasonGeng88/java-network-programming

知识点

• nio 下 I/O 阻塞与非阻塞实现
• SocketChannel 介绍
• I/O 多路复用的原理
• 事件选择器与 SocketChannel 的关系
• 事件监听类型
• 字节缓冲 ByteBuffer 数据结构

场景

接着上一篇中的站点访问问题，如果我们需要并发访问10个不同的网站，我们该如何处理？

在上一篇中，我们使用了java.net.socket类来实现了这样的需求，以一线程处理一连接的方式，并配以线程池的控制，貌似得到了当前的最优解。可是这里也存在一个问题，连接处理是同步的，也就是并发数量增大后，大量请求会在队列中等待，或直接异常抛出。

为解决这问题，我们发现元凶处在“一线程一请求”上，如果一个线程能同时处理多个请求，那么在高并发下性能上会大大改善。这里就借住 JAVA 中的 nio 技术来实现这一模型。

nio 的阻塞实现

关于什么是 nio，从字面上理解为 New IO，就是为了弥补原本 I/O 上的不足，而在 JDK 1.4 中引入的一种新的 I/O 实现方式。简单理解，就是它提供了 I/O 的阻塞与非阻塞的两种实现方式(当然，默认实现方式是阻塞的。)。

下面，我们先来看下 nio 以阻塞方式是如何处理的。

建立连接

有了上一篇 socket 的经验，我们的第一步一定也是建立 socket 连接。只不过，这里不是采用 new socket() 的方式，而是引入了一个新的概念 SocketChannel。它可以看作是 socket 的一个完善类，除了提供 Socket 的相关功能外，还提供了许多其他特性，如后面要讲到的向选择器注册的功能。

类图如下：

建立连接代码实现：

// 初始化 socket，建立 socket 与 channel 的绑定关系SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();// 初始化远程连接地址SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);// I/O 处理设置阻塞，这也是默认的方式，可不设置socketChannel.configureBlocking(true);// 建立连接socketChannel.connect(remote);

获取 socket 连接

因为是同样是 I/O 阻塞的实现，所以后面的关于 socket 输入输出流的处理，和上一篇的基本相同。唯一差别是，这里需要通过 channel 来获取 socket 连接。

• 获取 socket 连接

Socket socket = socketChannel.socket();

• 处理输入输出流

PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());

完整示例

package com.jason.network.mode.nio;import com.jason.network.constant.HttpConstant;import com.jason.network.util.HttpUtil;import java.io.*;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.Socket;import java.net.SocketAddress;import java.nio.channels.SocketChannel;public class NioBlockingHttpClient { private SocketChannel socketChannel; private String host; public static void main(String[] args) throws IOException { for (String host: HttpConstant.HOSTS) { NioBlockingHttpClient client = new NioBlockingHttpClient(host, HttpConstant.PORT); client.request(); } } public NioBlockingHttpClient(String host, int port) throws IOException { this.host = host; socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.socket().setSoTimeout(5000); SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port); this.socketChannel.connect(remote); } public void request() throws IOException { PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket()); BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket()); pw.write(HttpUtil.compositeRequest(host)); pw.flush(); String msg; while ((msg = br.readLine()) != null){ System.out.println(msg); } } private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException { OutputStream out = socket.getOutputStream(); return new PrintWriter(out); } private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException { InputStream in = socket.getInputStream(); return new BufferedReader(new InputStreamReader(in)); }}

nio 的非阻塞实现

原理分析

nio 的阻塞实现，基本与使用原生的 socket 类似，没有什么特别大的差别。

下面我们来看看它真正强大的地方。到目前为止，我们将的都是阻塞 I/O。何为阻塞 I/O，看下图：

我们主要观察图中的前三种 I/O 模型，关于异步 I/O，一般需要依靠操作系统的支持，这里不讨论。

从图中可以发现，阻塞过程主要发生在两个阶段上：

• 第一阶段：等待数据就绪；
• 第二阶段：将已就绪的数据从内核缓冲区拷贝到用户空间；

这里产生了一个从内核到用户空间的拷贝，主要是为了系统的性能优化考虑。假设，从网卡读到的数据直接返回给用户空间，那势必会造成频繁的系统中断，因为从网卡读到的数据不一定是完整的，可能断断续续的过来。通过内核缓冲区作为缓冲，等待缓冲区有足够的数据，或者读取完结后，进行一次的系统中断，将数据返回给用户，这样就能避免频繁的中断产生。

了解了 I/O 阻塞的两个阶段，下面我们进入正题。看看一个线程是如何实现同时处理多个 I/O 调用的。从上图中的非阻塞 I/O 可以看出，仅仅只有第二阶段需要阻塞，第一阶段的数据等待过程，我们是不需要关心的。不过该模型是频繁地去检查是否就绪，造成了 CPU 无效的处理，反而效果不好。如果有一种类似的好莱坞原则— “不要给我们打电话，我们会打给你” 。这样一个线程可以同时发起多个 I/O 调用，并且不需要同步等待数据就绪。在数据就绪完成的时候，会以事件的机制，来通知我们。这样不就实现了单线程同时处理多个 IO 调用的问题了吗？即所说的“I/O 多路复用模型”。

废话讲了一大堆，下面就来实际操刀一下。

创建选择器

由上面分析可以，我们得有一个选择器，它能监听所有的 I/O 操作，并且以事件的方式通知我们哪些 I/O 已经就绪了。

代码如下：

import java.nio.channels.Selector;...private static Selector selector;static { try { selector = Selector.open(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }}

创建非阻塞 I/O

下面，我们来创建一个非阻塞的 SocketChannel，代码与阻塞实现类型，唯一不同是socketChannel.configureBlocking(false)。

注意：只有在socketChannel.configureBlocking(false)之后的代码，才是非阻塞的，如果socketChannel.connect()在设置非阻塞模式之前，那么连接操作依旧是阻塞调用的。

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);// 设置非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.connect(remote);

建立选择器与 socket 的关联

选择器与 socket 都创建好了，下一步就是将两者进行关联，好让选择器和监听到 Socket 的变化。这里采用了以 SocketChannel 主动注册到选择器的方式进行关联绑定，这也就解释了，为什么不直接new Socket()，而是以SocketChannel的方式来创建 socket。

代码如下：

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

上面代码，我们将 socketChannel 注册到了选择器中，并且对它的连接、可读、可写事件进行了监听。

具体的事件监听类型如下：

操作类型值描述所属对象OP_READ1 << 0读操作SocketChannelOP_WRITE1 << 2写操作SocketChannelOP_CONNECT1 << 3连接socket操作SocketChannelOP_ACCEPT1 << 4接受socket操作ServerSocketChannel

选择器监听 socket 变化

现在，选择器已经与我们关心的 socket 进行了关联。下面就是感知事件的变化，然后调用相应的处理机制。

这里与 Linux 下的 selector 有点不同，nio 下的 selecotr 不会去遍历所有关联的 socket。我们在注册时设置了我们关心的事件类型，每次从选择器中获取的，只会是那些符合事件类型，并且完成就绪操作的 socket，减少了大量无效的遍历操作。

public void select() throws IOException { // 获取就绪的 socket 个数 while (selector.select() > 0){ // 获取符合的 socket 在选择器中对应的事件句柄 key Set keys = selector.selectedKeys(); // 遍历所有的key Iterator it = keys.iterator(); while (it.hasNext()){ // 获取对应的 key，并从已选择的集合中移除 SelectionKey key = (SelectionKey)it.next(); it.remove(); if (key.isConnectable()){ // 进行连接操作 connect(key); } else if (key.isWritable()){ // 进行写操作 write(key); } else if (key.isReadable()){ // 进行读操作 receive(key); } } }}

注意：这里的selector.select()是同步阻塞的，等待有事件发生后，才会被唤醒。这就防止了 CPU 空转的产生。当然，我们也可以给它设置超时时间，selector.select(long timeout)来结束阻塞过程。

处理连接就绪事件

下面，我们分别来看下，一个 socket 是如何来处理连接、写入数据和读取数据的(这些操作都是阻塞的过程，只是我们将等待就绪的过程变成了非阻塞的了)。

处理连接代码：

// SelectionKey 代表 SocketChannel 在选择器中注册的事件句柄private void connect(SelectionKey key) throws IOException { // 获取事件句柄对应的 SocketChannel SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 真正的完成 socket 连接 channel.finishConnect(); // 打印连接信息 InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress(); String host = remote.getHostName(); int port = remote.getPort(); System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!