NIO同步非阻塞网络编程

NIO 的全称是 non-blocking IO。从 JDK 1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO。NIO 是同步非阻塞的。NIO 的相关类都被存储在 java.nio 包及其子包下，具有 3 个核心组件：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）和 Selector（选择器）。

Buffer（缓冲区）

缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块（类似于数组），可以再次被读取。此内存块包含在 NIO Buffer 对象中，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块。使用 Buffer 进行数据写入和读取，需要进行如下4个步骤：

将数据写入缓冲区中。
调用 buffer.flip() 方法，转化为读取模式。
缓冲区读取数据。
调用 buffer.clear() 方法或者 buffer.compact() 方法清除缓冲区。

Buffer（缓冲区）具有 3 个重要属性。

capacity 容量：作为一个内存块，Buffer 具有一定的固定大小，也被称作容量。
position 位置：写入模式时代表写数据的位置。读取模式时代表读取数据的位置。
limit 限制：写入模式，限制等于 buffer 的容量。读取模式下，limit 等于写入的数据量。

Channel（通道）

Channel（通道）的 API 涵盖了 UDP/TCP 网络和文件 IO。和标准 IOStream 操作的区别如下：

在一个通道内进行读取和写入。
stream 通道是单向的（input 或 output）。
可以非阻塞读取和写入通道。
通道始终读取和写入缓冲区。

SocketChannel 用于建立 TCP 网络连接，类似于 Socket。创建 SocketChannel 有两种方式：一种是客户端主动发起和服务端的连接，另一种是服务端获取的新连接。

ServerSocketChannel 可以监听新建的 TCP 连接通道，类似于 ServerSocket。

Selector（选择器）

Selector（选择器）是一个 Java NIO 组件，可以检查一个或多个 NIO 通道，并确定哪些通道已准备好进行读取或者写入。实现单个线程可以管理多个通道，从而管理多个网络连接。

一个线程使用 Selector（选择器）监听多个 channel 的不同事件：4 个事件分别对应 SelectionKey 的 4 个常量。SelectionKey 的 4 个常量如下。

SelectionKey.OP_CONNECT：Connect 连接。
SelectionKey.OP_ACCEPT：Accept 准备就绪。
SelectionKey.OP_READ：Read 读取。
SelectionKey.OP_WRITE：Write 写入。

下面使用 NIO 分别编码实现客户端和服务器端。客户端的代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Scanner;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel scl = SocketChannel.open();
        scl.configureBlocking(false);
        scl.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        while (!scl.finishConnect()) {
            // 如果没有连接到服务器，就一直等待
            Thread.yield();
        }
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入：");
        // 发送内容
        String msg = scanner.nextLine();
        ByteBuffer bbw = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        while (bbw.hasRemaining()) {
            scl.write(bbw);
        }
        // 读取响应
        System.out.println("收到服务器响应：");
        ByteBuffer bba = ByteBuffer.allocate(1024);

        while (scl.isOpen() && scl.read(bba) != -1) {
            // 长连接情况下，需要手动判断数据有没有读取结束
            // 此处做一个简单的判断，超过 0 字节认为请求结束了
            if (bba.position() > 0)
                break;
        }
        bba.flip();
        byte[] b = new byte[bba.limit()];
        bba.get(b);
        System.out.println(new String(b));
        scanner.close();
        scl.close();
    }
}

服务器端的代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建网络服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);        // 设置为非阻塞模式
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));    // 绑定端口
        System.out.println("服务器已启动");
        while(true) {
            SocketChannel sca = ssc.accept();    // 获取新 tcp 连接通道
            // tcp 请求读取/响应
            if (sca != null) {
                System.out.println("获取新连接：" + sca.getRemoteAddress());
                sca.configureBlocking(false);    // 默认阻塞，设置为非阻塞
                ByteBuffer bba = ByteBuffer.allocate(1024);
                while (sca.isOpen() && sca.read(bba) != -1) {
                    // 长连接情况下，需要手动判断有没有读取结束
                    // 此处做一个简单判断，超过0字节就认为请求结束
                    if (bba.position() > 0) {
                        break;
                    }
                }
                if (bba.position() == 0)
                    continue;           // 如果没数据了，则不继续之后的处理
                bba.flip();
                byte[] b = new byte[bba.limit()];
                bba.get(b);
                System.out.println("收到数据：" + new String(b) + ",来自：" + sca.getRemoteAddress());
                // 响应结果
                String str = "Hello!";
                ByteBuffer bbw = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
                while (bbw.hasRemaining()) {
                    sca.write(bbw);    // 非阻塞
                }
            }
        }
    }
}

先运行服务器端，再运行客户端。

客户端输出到控制台上的内容如下：

     请输入：
     hello
     收到服务器端响应：
     Hello!

服务器端输出到控制台上的内容如下：

     服务器已启动
     获取新连接：/127.0.0.1:60364
     收到数据:hello，来自：/127.0.0.1:60364