一文学习网络编程之NIO

前置知识：

Java基础知识；

BIO网络编程知识；

多线程编程知识；

一、网络编程模型

1.编程模型

模型：对事务共性的抽象；

编程模型：对编程共性的抽象；

实际的问题具体的解决方案抽象出一套

依靠这个模型来解决这一类问题；

2.BIO网络模型

阻塞式 I/O 模型
- 如果客户端没有发起请求，服务的会一直存在并等待连接
弹性伸缩能力差
- 每一个对服务端的连接就需要开启一个线程
- 连接数很可能超过服务器所能负载的最大线程数
多线程耗资源
- 创建，销毁，维护大量线程以及线程切换都非常消耗系统资源

3.NIO网络模型

非阻塞 IO 模型
- 服务器端提供一个单线程的 selector 来统一管理所有客户端接入的连接
- 并负责监听每个连接所关心的事件
弹性伸缩能力加强
- 服务器端一个线程处理所有客户端的连接请求
- 客户端的个数与服务器端的线程数呈 M 比 1 的关系
单线程节省资源
- 避免了线程的频繁创建和销毁
- 同时也避免了多个线程之间上下文的切换，提高了执行效率

二、BIO下的TCP编程通信

1.服务器端server

server.java

import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-17 21:14* @Description: 服务器端**/
public class Server {/*** 启动服务器端*/public void start() throws IOException {//1.服务器端监听建立连接请求ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);System.out.println("服务端即将启动，等待客户端的连接...");//2.客户端发起建立连接请求int count = 0;Socket socket  = null;while(true){//循环监听客户端的连接//调用accept()方法监听，等待客户端连接以获取socket实例socket = serverSocket.accept();//3.服务器端启动新线程//4.线程响应客户端//5.等待客户单再次请求//创建新线程Thread thread = new Thread(new ServerThread(socket));thread.start();count++;System.out.println("服务器端被连接过的次数："+count);InetAddress address = socket.getInetAddress();System.out.println("当前客户端IP为："+address.getHostAddress());}}public static void main(String[] args) throws IOException {Server server = new Server();server.start();}
}

ServerThread.java

/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-17 21:21* @Description:**/
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;public class ServerThread implements Runnable{Socket socket = null;public ServerThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {InputStream is = null;InputStreamReader isr = null;BufferedReader br = null;OutputStream os = null;PrintWriter pw = null;//与客户端建立通信，获取输入流，读取客户端提供的信息try {is = socket.getInputStream();isr = new InputStreamReader(is,"UTF-8");br = new BufferedReader(isr);String data = null;while((data = br.readLine())!=null){System.out.println("我是服务器，客户端提交的信息为："+data);socket.shutdownInput();//关闭输入流//获取输出流，响应客户端的请求os = socket.getOutputStream();pw = new PrintWriter(os);pw.write("服务器端响应成功");pw.flush();}} catch (IOException e) {// TODO Auto-generated catch blocke.printStackTrace();}finally{//关闭资源和相关sockettry{if(pw!=null){pw.close();}if(os!=null){os.close();}if(is!=null){is.close();}if(isr!=null){isr.close();}if(br!=null){br.close();}if(socket!=null){socket.close();}}catch(Exception e){e.printStackTrace();}}}
}

2.客户端client

/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-17 21:23* @Description:**/
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;public class Client {public static void main(String[] args) {try{Socket socket = new Socket("localhost",8888);OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintWriter pw = new PrintWriter(os);pw.write("用户名:jinxueling;密码：123");pw.flush();socket.shutdownOutput();InputStream is = socket.getInputStream();InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is,"UTF-8");BufferedReader br = new BufferedReader(isr);String data = null;while((data = br.readLine())!=null){System.out.println("我是客户端，服务器端响应的数据为："+data);}socket.close();}catch (UnknownHostException e) {e.printStackTrace();}catch(IOException e){e.printStackTrace();}}
}

三、NIO下的聊天室编程

1NIO网络编程详解

NIO 核心

Channel：通道
Buffer：缓冲区
Selector：选择器或多路复用器

1.1. Channel

特点：

双向性
非阻塞性
操作唯一性

实现：

文件类：FileChannel
UDP 类：DatagramChannel
TCP 类：ServerSocketChannel / SocketChannel

/*代码片段1：服务器端通过服务端socket创建channel*/
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

/*代码片段2：服务器端绑定端口*/
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));

 /*代码片段3：服务器端监听客户端连接，建立socketChannel连接*/
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

/* 代码片段4：客户端连接远程主机及端口*/
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));

1.2 Buffer

作用：读写 Channel 中数据

本质：一块内存区域

属性：

Capacity：容量
Position：位置
Limit：上限
Mark：标记

用法：

/*初始化长度为10的byte类型buffer*/
ByteBuffer.allocate(10);

/*向byteBuffer中写入三个字节*/
ByteBuffer.put("abc".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));

/*将byteBuffer从写模式写换到读模式*/
ByteBuffer.flip();

/*从byteBuffer中读取一个字节*/
ByteBuffer.get();

/*调用mark方法记录下当前position的位置*/
ByteBuffer.mark();

/*先调用get方法读取下一个字节再调用reset方法将position重置到mark位置*/
ByteBuffer.get();
ByteBuffer.reset();

/*调用clear方法，将所有属性重置*/
ByteBuffer.clear();

1.3 Selector

作用：I/O 事件就绪选择

地位：NIO 网络编程的基础之一

/*代码片段1，创建Selector*/
Selector selector = Selector.open();
/*代码片段2，将channel注册到selector上，监听读就绪事件*/
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
/*代码片段3，阻塞等待channel有就绪事件发生*/
int selectNum = selector.select();
/*代码片段4，获取发生就绪事件的channel集合*/
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

SelectionKey 提供四种就绪状态常量：

连接就绪：connect
接受就绪：accept
读就绪：read
写就绪：write

1.4 NIO编程步骤

第一步：创建 Selector
第二步：创建 ServerSocketChannel，并绑定监听端口
第三步：将 Channel 设置为非阻塞模式
第四步：将 Channel 注册到 Selector 上，监听连接事件
第五步：循环调用 Selector 的 select 方法，检测就绪情况
第六步：调用 selectedKeys 方法获取就绪 channel 集合
第七步：判断就绪事件种类，调用业务处理方法
第八步：根据业务需要决定是否再次注册监听事件，重复执行第三步操作

2.NIO网络编程聊天室实战

2.1 服务器端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-18 09:29* @Description: NIO服务器端**/
public class NioServer {/*** 启动函数*/public void start() throws IOException {//1.创建selectorSelector selector = Selector.open();//2.通过serversocketchannel创建channel通道ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();//3.为channel绑定监听端口serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000));//4.设置channel为非阻塞模式serverSocketChannel.configureBlocking(false);//5.将channel注册到selector上监听连接事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务器启动成功");//6.循环等待新接入的连接for (;;){//获取可用的channel数量int readChannels = selector.select();if (readChannels==0){continue;}//获取可用的channel地址集合Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeySet.iterator();while (iterator.hasNext()){//selectionKey实例SelectionKey  selectionKey= (SelectionKey) iterator.next();//移除set中当前selectionKey实例iterator.remove();//7.根据对应状态，调用对应方法处理业务逻辑if (selectionKey.isAcceptable()){//如果是接入事件acceptHandler(serverSocketChannel,selector);}if (selectionKey.isReadable()){//如果是可读事件readHandler(selectionKey,selector);}}}}/*** 接入事件处理器*/private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel,Selector selector) throws IOException {//如果是接入事件，创建socketchannelSocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();//将socketchannel设置为非阻塞工作模式socketChannel.configureBlocking(false);//将channel注册到selector上，监听可读事件socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);//回复客户端提示信息socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("你与聊天室李其他人都不是朋友关系，请注意隐私安全"));}/*** 可读事件处理器* @param selectionKey* @param selector*/private void readHandler(SelectionKey selectionKey,Selector selector) throws IOException {//从selectionkey中获取到已经就绪的channelSocketChannel socketChannel  = (SocketChannel) selectionKey.channel();//创建bufferByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);//循环读取客户端请求信息StringBuilder request = new StringBuilder();while (socketChannel.read(byteBuffer)>0){//切换buffer为读模式byteBuffer.flip();//读取buffer中的内容request.append(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer));}//将channel再次注册到selector上，监听其它的可读事件socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);//将客户端发送的请求信息，广播到其它客户端if (request.length()>0){boardCast(selector,socketChannel,request.toString());}}/*** 将消息广播到其它客户端中* @param selector* @param sourceChannel* @param request*/private void boardCast(Selector selector, SocketChannel sourceChannel, String request) {//获取到所有已接入的客户端channelSet<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys();//循环向所有channel广播信息selectionKeySet.forEach(selectionKey -> {Channel targetChannel= selectionKey.channel();//剔除发消息的客户端if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != sourceChannel){try {//将消息发送到targetChannel客户端((SocketChannel) targetChannel).write(StandardCharsets.UTF_8.encode(request));} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}});}public static void main(String[] args) throws IOException {NioServer nioServer = new NioServer();nioServer.start();}
}

2.2 客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-18 09:50* @Description: Nio客户端**/
public class NioClient {/*** 启动客户端*/public void start(String nickname) throws IOException {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));System.out.println("客户端启动成功");/*** 接收服务器响应* 新开线程，专门负责来接收服务器端的响应数据* selector socketchannel注册*/Selector selector = Selector.open();socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);new Thread(new NioClientHandler(selector)).start();/*** 向服务器端发送数据*/Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (scanner.hasNextLine()){String request = scanner.nextLine();if (request!=null&&request.length()>0){socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8.encode(nickname+" : " + request));}}}
}

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;/*** @author : codingchao* @date : 2022-01-18 10:03* @Description:客户端线程类，专门接收服务器端响应消息**/
public class NioClientHandler implements Runnable{private final Selector selector;public NioClientHandler(Selector selector) {this.selector = selector;}@Overridepublic void run() {try {for (;;){int readChannels = selector.select();if (readChannels==0){continue;}Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeySet.iterator();while(iterator.hasNext()){SelectionKey selectionKey = iterator.next();iterator.remove();if (selectionKey.isReadable()){readHander(selectionKey,selector);}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private void readHander(SelectionKey selectionKey,Selector selector) throws IOException {SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);StringBuilder response = new StringBuilder();while(socketChannel.read(byteBuffer)>0){byteBuffer.flip();response.append(StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer));}socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);if (response.length()>0){System.out.println(response);}}
}

3.NIO网络编程缺陷

麻烦
- NIO 类库和 API 繁杂
心累
- 可靠性能力补齐，工作量和难度都非常大
有坑
- Selector 空轮询，导致 CPU 占用率 100%

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【网络编程学习之旅】一文学习网络编程之NIO

一文学习网络编程之NIO

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1.编程模型

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3.NIO网络模型

二、BIO下的TCP编程通信

1.服务器端server

2.客户端client

三、NIO下的聊天室编程

1NIO网络编程详解

1.1. Channel

1.2 Buffer

1.3 Selector

1.4 NIO编程步骤

2.NIO网络编程聊天室实战

2.1 服务器端

2.2 客户端

3.NIO网络编程缺陷

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