java网络编程——NIO架构

2023-10-26

1.什么是NIO

2.NIO结构

3.基于NIO下的聊天系统实现

4.Netty

1.什么是NIO

NIO：java non-blocking IO，同步非阻塞IO。

BIO是阻塞IO，即每一个事件都需要分配一个进程给他，如果客户端没有连接上，则一直阻塞等待。

而NIO，异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法：该架构下我们可以注册对特定 I/O 事件诸如数据可读、新连接到来等等，而在发生这样感兴趣的事件时，系统将会告诉您，而不用一直等待。

打个比方：

五个人（请求）写作业，BIO架构下是五个老师（五个进程）看着写，学生直接在书上写（内存读写）。
NIO架构下则是一个老师（进程）看着写，要求学生先写在本子上（buffer，缓冲区），并且一直问助教（selector），写好的（事件就绪）交上来！

2.NIO结构

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。

Channel：和IO中的Stream(流)类似。只不过Stream是单向的，channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

Buffer：NIO中的缓冲区，本质上是一个可读取的内存块。当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式，读取之前写入到buffer的所有数据。

NIO和java中普通IO最大的区别是数据打包和传输方式。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

如上图所示：客户端/服务端将需要传输的数据存入到buffer缓冲区中，再通过java流获取对应的channel，然后使用channel写入/读取缓冲区中的数据，输出到对应的目标（文件/字节流）中。

selector：要使用Selector, 得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法进行监听：这个方法会一直阻塞到至少一个注册的通道有事件就绪；当事件就绪，会把对应的selectionKey（用于关联channel，每一个类型的事件对应一个selectionKey，可以帮助获得对应的channel进行后续操作）加入到内部集合，并返回；一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件。

注：select()方法是阻塞的，select(1000)方法阻塞1000毫秒；selectNow()方法是非阻塞的

当客户端发起一次请求事件过后，NIO架构的响应过程如下图所示：

首先，服务端会获得一个ServerSocketChannel并向selector注册，即可等待客户端连接。

客户端向服务端发起请求，selector通过select()方法监听到事件发生（如客户端读事件），分配线程处理该事件；服务端将事件类型对应的selectionKey返回，然后通过key获得处理的channel，通过channel.read()方法将数据写入buffer，并返回至客户端；客户端从buffer中读到需要的数据，请求结束。

Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达），只有当通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，大大减少系统开销，避免了多线程之间的上下文切换。这使得一个I/O线程可以并发处理多个客户端连接和读写操作，极大提升了性能。

3.基于NIO下的聊天系统实现

基于以上架构，我们可以根据NIO结构，编写一个聊天系统：

（1）服务端：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;

public class ChatServer {
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;
    public static final int port = 8080;

    public ChatServer(){
        try {
            //获取ServerSocketChannel供客户端连接，并开放端口
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            //得到Selector，并注册channel
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("服务器就绪");
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void listen(){
        try {
            while (true){
                //阻塞2秒
                int count = selector.select(2000);

                if (count>0){
                    //有事件需要处理
                    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (keyIterator.hasNext()){
                        SelectionKey key = keyIterator.next();
                        //客户端连接事件，为客户端生成SocketChannel
                        if (key.isAcceptable()){
                            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                            //非阻塞channel才能进行注册
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            //注册，绑定事件读，并为该channel关联buffer
                            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                            System.out.println("客户端:"+socketChannel.getRemoteAddress()+" 成功连接");
                        }
                        //读取事件
                        if (key.isReadable()){
                            readMessage(key);
                        }

                        //删除已处理key，避免重复操作
                        keyIterator.remove();
                    }
                }else {
                    continue;
                }
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //从客户端读取消息
    private void readMessage(SelectionKey key){
        SocketChannel channel = null;
        try {
            //通过key反向获取channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            //获取该channel关联buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //从buffer中读取数据
            int read = channel.read(buffer);
            if (read>0){
                String msg = new String(buffer.array()).trim();
                //转发消息（排除自己）
                transformMessage(msg,channel);
            }

        }catch (IOException e){
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress()+"下线");
                //取消注册
                key.cancel();
                //关闭通道
                channel.close();
            }catch (Exception exception){
                exception.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //转发消息给其他客户端
    public void transformMessage(String msg, SocketChannel self) throws IOException {
        System.out.println("服务器转发消息");
        //遍历所有注册到selector的channel，进行转发
        for (SelectionKey key:selector.keys()){
            Channel targetChannel = key.channel();
            //排除自己
            if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel!=self){
                //转发消息
                SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                dest.write(buffer);
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ChatServer chatServer = new ChatServer();
        chatServer.listen();
    }
}

建立ServerSocketChannel，开放端口，并设置为非阻塞。
获取一个selector，并将channel注册进去，绑定触发事件及对应的SelectionKey
等待客户端连接。
当select()方法监听到事件，获取事件的selectionKey集合；遍历集合，处理事件。（连接事件则创建socketChannel连接；读事件则读取buffer中消息，并转发至其他客户端）

注：只有阻塞模式下，channel才可以向selector注册（serverSocketChannel.accept()获取的SocketChannel也需要设置）；server端先生成一个ServerSocketChannel并注册后，客户端才可以用SocketChannel对其进行连接；

（2）客户端：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
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.Scanner;

public class ChatClient implements Runnable{
    private SocketChannel socketChannel;
    private final String host = "127.0.0.1";
    private final int port = 8080;
    private Selector selector;
    private String username;

    public ChatClient(){
        try {
            socketChannel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress(host, port));
            socketChannel.configureBlocking(false);
            selector=Selector.open();
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
            System.out.println("客户端就绪");
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //发送消息
    public void sendMsg(String msg){
        msg = username + ":" + msg;
        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //读取回复消息
    public void readMsg(){
        try {
            int select = selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isReadable()){
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    channel.read(buffer);

                    String str = new String(buffer.array());
                    System.out.println(str.trim());
                }
                iterator.remove();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            this.readMsg();
            //每隔1秒监听一次
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ChatClient chatClient = new ChatClient();
        //启动线程读取
        new Thread(chatClient).start();
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextLine()){
            String str = scanner.nextLine();
            chatClient.sendMsg(str);
        }

    }
}

获取scocketServer连接服务端，设置非阻塞模式。
连接服务端。
发起事件：发送消息，将消息写入channel中。
读取服务器转发的其他客户单消息。

（3）运行效果：

服务端：

客户端1：

客户端2：

客户端3：

4.Netty

Netty是一个异步事件驱动的网络应用程序框架（即基于NIO架构），用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。

为什么会有Netty？

1）NIO的类库和API繁杂，使用起来比较麻烦；
2）开发工作量和难度大，面临例如断连重连、半包读写、失败缓存等问题；
3）使用原生NIO编程需要掌握Reactor模型、多线程编程等额外技能，要求较高；
4）java原生NIO存在一定的bug，可能会影响NIO编程。

而Netty就是基于Reactor多线程模型对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了良好的封装，解决了上述问题。且Netty拥有高性能、吞吐量更高，延迟更低，减少资源消耗，最小化不必要的内存复制等优点。

其核心在于可拓展事件驱动模型、全局交互API、零拷贝。

Netty快速使用，其使用形式类似于NIO架构，也是分为服务端、客户端：

（1）服务端：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) {
        //定义线程组：BossEventLoop(负责连接) , WorkerEventLoop(负责业务读写)
        EventLoopGroup bossEventLoop = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerEventLoop = new NioEventLoopGroup();

        try {
            // 1. ServerBootstrap:启动器，负责组装netty组件，启动服务器
            new ServerBootstrap()
                    // 2.存入线程组
                    .group(bossEventLoop,workerEventLoop)
                    // 3.选择服务器的ServerSocketChannel实现
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    // 4. worker(child) , 决定了worker能执行什么操作(handler)
                    .childHandler(
                            // 5. channel 代表和客户端进行读写的通道 Initializer:初始化器，负责添加别的handler
                            new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                                @Override
                                protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                                    // 6. 添加具体handler
                                    ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); //将 ByteBuf 转为字符串
                                    ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {   //自定义handler
                                        @Override   //读事件
                                        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                            System.out.println(msg);
                                        }
                                    });
                                }
                            })
                    .bind(8080);

        }catch (Exception e){
            System.out.println("客户端断开连接");
        }

    }
}

（2）客户端：

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

import java.net.InetSocketAddress;

public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        try {
            // 1.启动类
            new Bootstrap()
                    // 2.添加EventLoop
                    .group(new NioEventLoopGroup())
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                        }
                    })
                    .connect(new InetSocketAddress("localhost",8080))
                    .sync()
                    .channel()
                    //发送数据
                    .writeAndFlush("hello world");
        }catch (Exception e){
            System.out.println("服务器异常");
        }

    }
}

上述代码实现了服务端创建ServerSocketChannel，客户端连接服务端并写入消息，服务端成功读取的功能。

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