Java NIO 网络编程和异步 I/O (六)

网络编程是学习异步 I/O 的很好基础，而异步 I/O 对于在 Java 语言中执行任何输入/输出过程的人来说，无疑都是必须具备的知识。NIO 中的网络编程与 NIO 中的其他任何操作没有什么不同 ― 它依赖通道和缓冲区，平时通常使用 InputStream 和 OutputStream 来获得通道。

异步 I/O

异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法。通常，在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样，write() 调用将会阻塞直至数据能够写入。

另一方面，异步 I/O 调用不会阻塞。相反，你将注册对特定 I/O 事件的兴趣 ― 可读的数据的到达、新的套接字连接，等等，而在发生这样的事件时，系统将会告诉你。

异步 I/O 的一个优势在于，它允许你同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，您可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

Selectors

异步 I/O 中的核心对象名为 Selector。Selector 就是你注册对各种 I/O 事件的兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉您所发生的事件。

所以，我们需要做的第一件事就是创建一个 Selector：

Selector selector = Selector.open();

然后，我们将对不同的通道对象调用 register() 方法，以便注册我们对这些对象中发生的 I/O 事件的兴趣。register() 的第一个参数总是这个 Selector。

打开一个 ServerSocketChannel

为了接收连接，我们需要一个 ServerSocketChannel。事实上，我们要监听的每一个端口都需要有一个 ServerSocketChannel 。对于每一个端口，我们打开一个 ServerSocketChannel，如下所示：

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking( false );

ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[i] );
ss.bind( address );

第一行创建一个新的 ServerSocketChannel ，最后三行将它绑定到给定的端口。第二行将 ServerSocketChannel 设置为非阻塞的。我们必须对每一个要使用的套接字通道调用这个方法，否则异步 I/O 就不能工作。

选择键

下一步是将新打开的 ServerSocketChannels 注册到 Selector上。为此我们使用 ServerSocketChannel.register() 方法，如下所示：

SelectionKey key = ssc.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );

register() 的第一个参数总是这个 Selector。第二个参数是 OP_ACCEPT，这里它指定我们想要监听 accept 事件，也就是在新的连接建立时所发生的事件。这是适用于 ServerSocketChannel 的唯一事件类型。
请注意对 register() 的调用的返回值。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。

内部循环

现在已经注册了我们对一些 I/O 事件的兴趣，下面将进入主循环。使用 Selectors 的几乎每个程序都像下面这样使用内部循环：

int num = selector.select();

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();

while (it.hasNext()) {
     SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
     // ... deal with I/O event ...
}

首先，我们调用 Selector 的 select() 方法。这个方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时， select() 方法将返回所发生的事件的数量。
接下来，我们调用 Selector 的 selectedKeys() 方法，它返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个集合。
我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件。对于每一个 SelectionKey，您必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。

监听新连接

程序执行到这里，我们仅注册了 ServerSocketChannel，并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点，我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法，并检查发生了什么类型的事件：

if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
     == SelectionKey.OP_ACCEPT) {

     // Accept the new connection
     // ...
}

可以肯定地说， readOps() 方法告诉我们该事件是新的连接。

接受新的连接

因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待，所以可以安全地接受它；也就是说，不用担心 accept() 操作会阻塞：

ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();

下一步是将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的。而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据，所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上，如下所示：

sc.configureBlocking( false );
SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );

注意我们使用 register() 的 OP_READ 参数，将 SocketChannel 注册用于读取而不是接受新连接。

删除处理过的 SelectionKey

在处理 SelectionKey 之后，我们几乎可以返回主循环了。但是我们必须首先将处理过的 SelectionKey 从选定的键集合中删除。如果我们没有删除处理过的键，那么它仍然会在主集合中以一个激活的键出现，这会导致我们尝试再次处理它。我们调用迭代器的 remove() 方法来删除处理过的 SelectionKey：

it.remove();

现在我们可以返回主循环并接受从一个套接字中传入的数据(或者一个传入的 I/O 事件)了。

传入的 I/O

当来自一个套接字的数据到达时，它会触发一个 I/O 事件。这会导致在主循环中调用 Selector.select()，并返回一个或者多个 I/O 事件。这一次， SelectionKey 将被标记为 OP_READ 事件，如下所示：

} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
     == SelectionKey.OP_READ) {
     // Read the data
     SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
     // ...
}

与以前一样，我们取得发生 I/O 事件的通道并处理它。在本例中，由于这是一个 echo server，我们只希望从套接字中读取数据并马上将它发送回去。

回到主循环

每次返回主循环，我们都要调用 select 的 Selector()方法，并取得一组 SelectionKey。每个键代表一个 I/O 事件。我们处理事件，从选定的键集中删除 SelectionKey，然后返回主循环的顶部。

这个程序有点过于简单，因为它的目的只是展示异步 I/O 所涉及的技术。在现实的应用程序中，您需要通过将通道从 Selector 中删除来处理关闭的通道。而且您可能要使用多个线程。这个程序可以仅使用一个线程，因为它只是一个演示，但是在现实场景中，创建一个线程池来负责 I/O 事件处理中的耗时部分会更有意义。

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.util.*;

public class MultiPortEcho
{
  private int ports[];
  private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

  public MultiPortEcho( int ports[] ) throws IOException {
    this.ports = ports;

    go();
  }

  private void go() throws IOException {
    // Create a new selector
    Selector selector = Selector.open();

    // Open a listener on each port, and register each one
    // with the selector
    for (int i=0; i<ports.length; ++i) {
      ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
      ssc.configureBlocking( false );
      ServerSocket ss = ssc.socket();
      InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[i] );
      ss.bind( address );

      SelectionKey key = ssc.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );

      System.out.println( "Going to listen on "+ports[i] );
    }

    while (true) {
      int num = selector.select();

      Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator it = selectedKeys.iterator();

      while (it.hasNext()) {
        SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();

        if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
          == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
          // Accept the new connection
          ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
          SocketChannel sc = ssc.accept();
          sc.configureBlocking( false );

          // Add the new connection to the selector
          SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );
          it.remove();

          System.out.println( "Got connection from "+sc );
        } else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
          == SelectionKey.OP_READ) {
          // Read the data
          SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();

          // Echo data
          int bytesEchoed = 0;
          while (true) {
            echoBuffer.clear();

            int r = sc.read( echoBuffer );

            if (r<=0) {
              break;
            }

            echoBuffer.flip();

            sc.write( echoBuffer );
            bytesEchoed += r;
          }

          System.out.println( "Echoed "+bytesEchoed+" from "+sc );

          it.remove();
        }

      }

//System.out.println( "going to clear" );
//      selectedKeys.clear();
//System.out.println( "cleared" );
    }
  }

  public static  void main( String args[] ) throws Exception {
    if (args.length<=0) {
      System.err.println( "Usage: java MultiPortEcho port [port port ...]" );
      System.exit( 1 );
    }

    int ports[] = new int[args.length];

    for (int i=0; i<args.length; ++i) {
      ports[i] = Integer.parseInt( args[i] );
    }

    new MultiPortEcho( ports );
  }
}

Matrix42