关于java:NIO-学习笔记二相识篇

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本篇咱们就尝试写一个一个聊天室的例子来领会多路复用，如果你不懂什么叫 I / O 多路复用，能够看下我写的这篇文章《Socket 简介和 I / O 多路复用》。咱们该当清晰的意识到没有操作系统提供的 I / O 多路复用机制，JVM 也是无奈做到多路复用的。

Selector 监督者 轮询者 选择器

Selector 中的一个类，也就是监督 Socket 流状态的类，调用的还是操作系统提供的服务，须要配合通道和缓冲区应用。
不论是多路复用还是非多路复用咱们总须要一个 socket，不过多路复用的时候在 java 中是 ServerSocketChannel。

   ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = ServerSocketChannel.open();
   // 将通道设置为非阻塞，为多路复用做筹备。serverSocketChannel1.configureBlocking(false);
   ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel1.socket();
   // 绑定端口
   serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8888));

选择器呢，怎么体现哪个客户端有数据就调用对应的代码来解决客户端呢? 还是在 ServerSocketChannel 上，当有数据到来时咱们就激活这个通道，从缓冲区中获取数据。因而咱们须要让 Selector 来治理 ServerSocketChannel，那么就是通过注册。
也就是这样：

    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = ServerSocketChannel.open();
    serverSocketChannel1.configureBlocking(false);
    ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel1.socket();
    serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8888));
    serverSocketChannel1.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

网络通信中 JVM 形象出了四种通信状态，在 SelectionKey 中寄存:

  • OP_READ 数据曾经筹备好了，能够读了，也成为了读就绪。
  • OP_WRITE 曾经能够通过通道向缓冲区中写数据了，也称为写就绪。
  • OP_CONNECT 连贯曾经就绪
  • OP_ACCEPT 服务端曾经监听到了客户端发动的连贯申请，能够与服务端建设连贯的。

从 jdk 的正文咱们就能够看出，OP_ACCEPT 用于服务端程序，因为一个服务端会有许多客户端，先有是否有连贯的申请，再有数据是否筹备实现，是否可写。OP_CONNECT 用于客户端，当连贯建设，我才能够向服务端写数据和读数据。

当通道上有选择器感兴趣的事件产生，比方: 连贯的申请，再客户端和服务端连贯建设后是可读和可写。这些事件会被选择器放入一个汇合中。咱们就能够循环这个汇合，从客户端读取或写。一个客户端对应一些事件，这些事件不可能同时实现，总会有先后顺序，在收到客户端发动的连贯申请之后，咱们从中提取申请。

特地留神 OP_ACCEPT 只能用于选择器治理 ServerSocketChannel。OP_CONNECT 只能用于选择器治理 SocketChannel。

聊天室服务端

介绍选择器的一部分代码就是聊天室服务端代码的一部分。咱们先介绍大抵的思路，在上对应的代码。

惯例状况下咱们还是创立用 ServerSocketChannel 创立 Socket，而后绑定端口。用选择器治理通道，当通道上有选择器最后所感兴趣的事件之后，留神尽管咱们只注册了一个对连贯感兴趣的事件，然而实质上还是用的 Socket，所以在服务端发现有发动建设连贯的申请之后，服务端就会尝试和客户端建设连贯，连贯还是为了通信。

上文咱们提到，在通道有选择器所感兴趣的事件之后，会将放入到一个汇合中，也就是 Set<SelectionKey>。通过 SelectionKey，咱们能够为减少选择器和通道之间的关联，最后选择器只会在通道有申请的连贯时被激活，只会向汇合中增加一个读就绪事件。咱们能够通过 SelectionKey 的 interestOps() 为选择器增加读就绪事件和写就绪事件。而后就能够灵便的解决了，也就是说在读就绪的时候读，写就绪的时候写。

每次向选择器注册通道时就会创立一个 SelectionKey 键，也就是抉择治理这个通道。通过调用某个 SelectionKey 的 cancel 办法、敞开其通道，或者通过敞开其选择器来勾销 该键之前，它始终放弃无效。

public class ChatServer {
    // 存储客户端信息, 一个客户端一个 Channel        
    private static Map<String, SocketChannel> map = new HashMap<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创立选择器        
        Selector selector = Selector.open();
        // 创立服务端的通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = ServerSocketChannel.open();
        // 将该通道设置为非阻塞形式
        serverSocketChannel1.configureBlocking(false);
        // 创立 Socket
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel1.socket();
        // 绑定端口
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 为 ServerSocketChannel 注册对对客户端申请连贯事件感兴趣
        // 此时该 channel 处于选择器得治理之下
        serverSocketChannel1.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 因为不分明有多少客户端会连贯, 所以是 while(true)
        while (true) {
            // 该办法将始终阻塞，晓得选择器治理的通道上有选择器感兴趣的事件产生。selector.select();
            // 每次向选择器注册通道时就会创立一个 SelectionKey 键
            // 每个 SelectionKey 与对应的通道相连, 存储通道的状态
            // 一个客户端一个 SocketChannel
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel clietChannel = null;
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 如果有客户端申请建设连贯
                if (key.isAcceptable()) {
                   // 获取 SelectionKey 关联的通道
                    ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    // 提取申请, 获取对应的 socketChannel
                    clietChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 将解决对应的客户端信息 socketChannel 设置为非阻塞
                    clietChannel.configureBlocking(false);
                    // 为该通道注册读就绪事件, 选择器会询问该通道的状态, 当该通道就绪时,
                    clietChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    // 记录解决对应客户端的 channel
                    String id = "key=" + (int) (Math.random() * 9000 + 1000);
                    map.put(id, clietChannel);
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 读就绪, 通过通道向缓冲区中取数据
                    clietChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    String receiveMsg = null;
                    int result = -1;
                    try {result = clietChannel.read(byteBuffer);
                    } catch (IOException e) {
                        // 正在读的时候服务端断开连接, 此时数据无奈持续读取
                        String clientKey = getClientKey(clietChannel);
                        System.out.println("退出了战场:" + clientKey);
                        map.remove(clientKey);
                        // 开释资源
                        clietChannel.close();
                        key.cancel();
                        continue;
                    }
                    if (result > 0) {
                        // 读之前要 flip
                        byteBuffer.flip();
                        // 避免乱码
                        Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
                        receiveMsg = String.valueOf(charset.decode(byteBuffer).array());
                        System.out.println(clietChannel + ":" + receiveMsg);
                        if ("conncet".equals(receiveMsg)) {receiveMsg = "新客户端上线";}
                        System.out.println("读到了信息" + receiveMsg);
                        // 将信息搭载在 key 上, 为播送进来做筹备。// 因为咱们做的是聊天室, 相当于群聊。key.attach(receiveMsg);
                        // key 关联通道, 给 key 注册就相当于给通道注册。// 给对应的通道注册写事件。key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                    }

                } else if (key.isWritable()) {
                    //channel 能够读能够写
                    clietChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    // 获取对应的客户端
                    String name = getClientKey(clietChannel);
                    for (Map.Entry<String, SocketChannel> entrySet : map.entrySet()) {SocketChannel entryValue = entrySet.getValue();
                        ByteBuffer broadCast = ByteBuffer.allocate(1024);
                        broadCast.put((name + ":" + key.attachment()).getBytes());
                        broadCast.flip();
                        // 将缓冲区的货色发送给每一个通道
                        entryValue.write(broadCast);
                    }
                    // 给 key 关联的通道注册读事件。key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                } else {System.out.println("hello world");
                }
            }
            // 清空
            keys.clear();}
    }
    
    private static String getClientKey(SocketChannel clietChannel) {
        String key = null;
        Set<Map.Entry<String, SocketChannel>> entrySet = map.entrySet();
        for (Map.Entry<String, SocketChannel> value : entrySet) {if (value.getValue() == clietChannel) {key = value.getKey();
                break;
            }
        }
        return key;
    }
}

为什么清空 keys?

为什么最初清空 Set<SelectionKey>？我清空了还怎么用? 让我来解释一下，事实上选择器保护了三张表(三个汇合)。

  • 注册表: 当咱们为通道注册事件，也就是将该通道纳入到选择器得管辖范畴之内时，也就是 channel.register。就会产生一个对应的 key 进入这张表。只有当咱们调用 key.cancel()办法时, 这个 key 才会被移除。通过 Selector 类中的 keys()返回这个汇合。
  • 已就绪表: 当咱们调用 selector.select()办法, 这个选择器进入注册表查找, 查看哪个通道上的事件是曾经就绪了, 而后将这些可就绪的 key(就是 selectionKey, 通过 selectionKey 获取所关联通道的状态, 即通道上的事件是否就绪), 这个表不会被选择器清空, 即便咱们再次调用 selector.select(), 他也不会清空这张表中已存在的 key。
  • 通道脱离管辖表: 也就是说 selectionKey 调用 cancle()办法, 那么该 selectionKey 所对应的通道将会脱离选择器的管辖。

这就是咱们最初调用清空 keys 汇合的起因, 如果遍历该汇合之后，所有就绪的事件都曾经解决而不清空，那么下次就绪的 key 咱们就获取不到。因为 set 是不可反复的。每次执行完 selector.select(), 选择器都会轮询被治理的通道，将通道上感兴趣的事件就绪的通道所对应的 selectionKey 退出到已就绪的表中。

为什么在写事件就绪之后, 还要为通道注册读事件

咱们要聊聊写事件, 写事件就绪的条件很容易满足, 就是操作系统给对应 socket 调配的缓冲区还有闲暇, 个别状况下都要满足。
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ)相当于给该通道注册读事件, 等价于勾销掉 key 关联通道对写事件感兴趣。因为一个 key 目前只能对一个事件感兴趣。如果你不勾销对写事件感兴趣, 那么写事件会一直的被触发。

聊天室客户端

public class ChatClient {public static void main(String[] args) {
        try {
            // 客户端用 socketchannel
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            // 将该通道设置为非阻塞
            socketChannel.configureBlocking(false);
            // 创立选择器    
            Selector selector = Selector.open();
            // 确定服务端
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8888));
            // 将该通道纳入选择器得治理范畴之下。客户端只有跟服务端建设连贯, 因而对连贯感兴趣就好
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
            while (true){
               // 轮询通道的感兴趣事件是否就绪, 有就绪事件即返回。没有就始终陷入阻塞
               selector.select();
               // 获取就绪的通道   
               Set<SelectionKey> selectKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectKeys.iterator();
                while(keyIterator.hasNext() ){SelectionKey selectKey = keyIterator.next();
                    // 判断连贯是否实现
                    if (selectKey.isConnectable()){ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel)selectKey.channel();
                        // 首次连贯实现后, 程序外部依然须要一些解决，判断解决是否实现。// 这一行能够去掉, 只是为了阐明这个办法。未实现连贯时返回 false
                        if (clientChannel.isConnectionPending()){
                            // 只实现一次, 当通道实现连贯后, 返回为 true
                            if (clientChannel.finishConnect()) {System.out.print("连贯服务端胜利");
                                sendBuffer.put("conncet".getBytes());
                                sendBuffer.flip();
                                clientChannel.write(sendBuffer);
                            }
                        }
                        // 启动一个线程监听用户的输出, 在目前这种模式下。用户随时能够写。随时发送信息
                        new Thread(()->{while (true){sendBuffer.clear();
                                InputStreamReader reader = new InputStreamReader(System.in);
                                BufferedReader bufferReader = new BufferedReader(reader);
                                try {String message = bufferReader.readLine();
                                    sendBuffer.put(message.getBytes());
                                    sendBuffer.flip();
                                    clientChannel.write(sendBuffer);
                                } catch (IOException e) {e.printStackTrace();
                                }
                            }
                        }).start();
                        // 连贯就绪, 注册对读事件感兴趣
                        clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                    }else if(selectKey.isReadable()){ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel)selectKey.channel();
                        int len = clientChannel.read(readBuffer);
                        if (len > 0){String receive = new String(readBuffer.array(), 0, len);
                            System.out.println(receive);
                        }
                    }
                }
                selectKeys.clear();}
        } catch (IOException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行后果截图


小结

这方面网络编程相干方面优良的材料还是比拟少的，值得注意的是 java 的 NIO 中的选择器还存在着一个危险的空轮询 BUG, 这是 JDK 貌似还没解决的问题，有工夫会再专门写篇博客来探讨这个问题，不过不要放心，曾经被 netty 给解决了，生态好就是强，这是后话了，

参考资料:

  • Why the key should be removed in selector.selectedKeys().iterator() in java nio?
  • JAVA NIO 工作原理及代码示例

正文完
java
发表至： java
2020-08-01
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