Java网络编程之非阻塞服务器实现

### Java 网络编程之非阻塞服务器实现 在 Java 网络编程中，处理多个客户端连接是一个常见的需求。传统的多线程方法为每个客户端分配一个线程，这种方法在处理大量客户端时可能会遇到操作系统限制、死锁和线程安全等问题。而 Java 在 J2SE 1.4 引入的 NIO（New Input/Output）API 提供了一种更高效的解决方案——多路复用。 #### 1. 非阻塞 I/O 概述 在 J2SE 1.4 之前，我们可以使用 `InputStream` 类的 `available()` 方法来模拟非阻塞 I/O。该方法的签名如下： ```java int available() throws IOException ``` 对于一个与网络连接关联的 `InputStream` 对象，此方法返回通过该连接接收到但尚未读取的字节数。为了模拟非阻塞 I/O，我们可以为每个传入的客户端创建一个单独的连接（在同一端口上），并使用 `available()` 方法依次轮询客户端，检查每个连接上的数据。然而，这只是真正非阻塞 I/O 的一个糟糕替代方案，并且很少被使用。 J2SE 1.4 引入了 NIO API，由 `java.nio` 包及其几个子包实现，其中最值得注意的是 `java.nio.channels`。NIO 不使用 Java 传统的流机制进行 I/O，而是采用了通道（Channel）的概念。与 Java 流以字节为导向不同，通道以块为导向，这意味着数据可以以大块的形式传输，而不是单个字节，从而显著提高了速度。每个通道都与一个缓冲区（Buffer）关联，缓冲区为写入或读取特定通道的数据提供存储区域。甚至可以使用所谓的直接缓冲区，尽可能避免使用中间 Java 缓冲区，允许直接执行系统级操作，从而进一步提高速度。 在处理多个客户端方面，NIO 使用多路复用（Multiplexing），即由单个实体同时处理多个连接。这基于使用选择器（Selector）来监控新连接和现有连接的数据传输。每个通道只需向选择器注册其感兴趣的事件类型。通道可以在阻塞或非阻塞模式下使用，这里我们将使用非阻塞模式。使用选择器监控事件意味着我们可以让一个线程（或多个线程，如果需要）同时监控多个通道，避免了每个连接分配一个线程可能出现的问题。 虽然多路复用方法比多线程方法有显著优势，但它的实现明显更复杂。不过，大多数原始的 I/O 类实际上已经重新设计为使用通道作为其底层机制，这意味着开发人员可以在不改变编程方式的情况下获得 NIO 的一些好处。如果需要更高的速度，则需要直接使用 NIO。 #### 2. 非阻塞服务器的实现步骤 ##### 2.1 创建通道和套接字 与 `Socket` 和 `ServerSocket` 关联的通道分别称为 `SocketChannel` 和 `ServerSocketChannel`，它们包含在 `java.nio.channels` 包中。默认情况下，与这些通道关联的套接字将以阻塞模式运行，但可以通过调用 `configureBlocking(false)` 方法将其配置为非阻塞套接字。以下是创建和配置的代码示例： ```java ServerSocketChannel serverSocketChannel; ServerSocket serverSocket; SocketChannel socketChannel; Socket socket; serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.configureBlocking(false); serverSocket = serverSocketChannel.socket(); // 后续代码 socketChannel = serverSocketChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socket = socketChannel.socket(); ``` 需要注意的是，`ServerSocketChannel` 对象是通过 `ServerSocketChannel` 类的静态方法 `open()` 创建的，而不是通过构造函数。 ##### 2.2 绑定服务器套接字到端口 创建 `ServerSocketChannel` 和 `ServerSocket` 对象后，需要将 `ServerSocket` 对象绑定到服务器要运行的端口。这涉及创建 `InetSocketAddress` 类的对象，该类是 J2SE 1.4 引入的，定义在 `java.net` 包中。以下是绑定端口的代码： ```java private static final int PORT = 1234; InetSocketAddress netAddress = new InetSocketAddress(PORT); serverSocket.bind(netAddress); ``` ##### 2.3 创建选择器并注册通道 接下来，需要创建一个 `Selector` 对象，用于监控新连接和现有连接的数据传输。每个通道（`SocketChannel` 或 `ServerSocketChannel`）必须通过 `register()` 方法向 `Selector` 对象注册其感兴趣的事件类型。有四个 `SelectionKey` 类的静态常量用于标识可以监控的事件类型： - `SelectionKey.OP_ACCEPT` - `SelectionKey.OP_CONNECT` - `SelectionKey.OP_READ` - `SelectionKey.OP_WRITE` 最常用的两个常量是 `SelectionKey.OP_ACCEPT` 和 `SelectionKey.OP_READ`，分别用于监控新连接和现有连接的数据传输。以下是创建选择器并注册通道的代码： ```java Selector selector; selector = Selector.open(); serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 后续代码 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); ``` ##### 2.4 设置缓冲区 最后一个“顶层”步骤是设置一个 `Buffer` 对象，为连接的客户端的 `SocketChannel` 提供共享数据结构。`Buffer` 类本身是一个抽象类，不能创建该类的对象，但它有七个子类可以创建对象： - `ByteBuffer` - `CharBuffer` - `IntBuffer` - `LongBuffer` - `ShortBuffer` - `FloatBuffer` - `DoubleBuffer` 其中，`ByteBuffer` 支持读写其他六种类型，是最常用的类型。可以通过 `allocate()` 方法指定缓冲区数组的大小，示例代码如下： ```java ByteBuffer buffer; buffer = ByteBuffer.allocate(2048); ``` 还有一个 `allocateDirect()` 方法可以用于设置缓冲区，它尝试将所需的内存分配为直接内存，从而避免在写入磁盘之前将数据复制到中间缓冲区，可能会显著提高 I/O 操作的速度。但是否使用直接缓冲区取决于具体应用的需求和底层操作系统的特性。 ##### 2.5 服务器主循环 完成上述所有准备步骤后，服务器将进入一个传统的 `do...while(true)` 循环，接受连接的客户端并处理其数据。循环中的第一步是调用 `Selector` 对象的 `select()` 方法，该方法返回正在监控的事件类型中已发生的事件数量。以下是主循环的代码示例： ```java do { try { int numKeys = selector.select(); if (numKeys > 0) { Set eventKeys = selector.selectedKeys(); Iterator keyCycler = eventKeys.iterator(); while (keyCycler.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) keyCycler.next(); int keyOps = key.readyOps(); if ((keyOps & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) { acceptConnection(key); continue; } if ((keyOps & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) { acceptData(key); } } } } catch (IOException ioEx) { ioEx.printStackTrace(); System.exit(1); } } while (true); ``` #### 3. 处理新连接和数据 ##### 3.1 处理新连接 当检测到 `Se