java NIO原理及实例

1、reactor（反应器）模式

　　使用单线程模拟多线程，提高资源利用率和程序的效率，增加系统吞吐量。下面例子比较形象的说明了什么是反应器模式：

　　一个老板经营一个饭店，

　　传统模式 - 来一个客人安排一个服务员招呼，客人很满意；（相当于一个连接一个线程）

　　后来客人越来越多，需要的服务员越来越多，资源条件不足以再请更多的服务员了，传统模式已经不能满足需求。老板之所以为老板自然有过人之处，老板发现，服务员在为客人服务时，当客人点菜的时候，服务员基本处于等待状态，（阻塞线程，不做事）。

　　于是乎就让服务员在客人点菜的时候，去为其他客人服务，当客人菜点好后再招呼服务员即可。 --反应器（reactor）模式诞生了

　　饭店的生意红红火火，几个服务员就足以支撑大量的客流量，老板用有限的资源赚了更多的money~~~~^_^

2、NIO中的重要概念 通道、缓冲区、选择器

　　通道：类似于流，但是可以异步读写数据（流只能同步读写），通道是双向的，（流是单向的），通道的数据总是要先读到一个buffer 或者 从一个buffer写入，即通道与buffer进行数据交互。

　　通道类型：　　

• • FileChannel：从文件中读写数据。　　
  • DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据。　　
  • SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据。　　
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。　　

　　FileChannel比较特殊，它可以与通道进行数据交互， 不能切换到非阻塞模式，套接字通道可以切换到非阻塞模式；

　　缓冲区 - 本质上是一块可以存储数据的内存，被封装成了buffer对象而已！

　　缓冲区类型：

• • ByteBuffer　　
  • MappedByteBuffer　　
  • CharBuffer　　
  • DoubleBuffer　　
  • FloatBuffer　　
  • IntBuffer　　
  • LongBuffer　　
  • ShortBuffer　　

　　常用方法：

• 　　allocate() - 分配一块缓冲区　　
• 　　put() -  向缓冲区写数据
• 　　get() - 向缓冲区读数据　　
• 　　filp() - 将缓冲区从写模式切换到读模式　　
•  　  clear() - 从读模式切换到写模式，不会清空数据，但后续写数据会覆盖原来的数据，即使有部分数据没有读，也会被遗忘；　　
•       compact() - 从读数据切换到写模式，数据不会被清空，会将所有未读的数据copy到缓冲区头部，后续写数据不会覆盖，而是在这些数据之后写数据
• 　　mark() - 对position做出标记，配合reset使用
• •       reset() - 将position置为标记值　　　　

缓冲区的一些属性：

• • 　　　　capacity - 缓冲区大小，无论是读模式还是写模式，此属性值不会变；
  • 　　　　position - 写数据时，position表示当前写的位置，每写一个数据，会向下移动一个数据单元，初始为0；最大为capacity - 1

　　　　　　　　切换到读模式时，position会被置为0，表示当前读的位置

• • 　　　　limit - 写模式下，limit 相当于capacity 表示最多可以写多少数据，切换到读模式时，limit 等于原先的position，表示最多可以读多少数据。

　　选择器：相当于一个观察者，用来监听通道感兴趣的事件，一个选择器可以绑定多个通道；

 　　通道向选择器注册时，需要指定感兴趣的事件，选择器支持以下事件：

• • SelectionKey.OP_CONNECT
  • SelectionKey.OP_ACCEPT
  • SelectionKey.OP_READ
  • SelectionKey.OP_WRITE　　

 　　如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

　　　　 int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE; 

 　　通道向选择器注册时，会返回一个 SelectionKey对象，具有如下属性

• • interest集合
  • ready集合　　
  • Channel　　
  • Selector
  • 附加的对象（可选）　　

　　用“位与”操作interest 集合和给定的SelectionKey常量，可以确定某个确定的事件是否在interest 集合中。

int interestSet = selectionKey.interestOps();  
 
boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;  
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;  
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;  

　　ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合： 
　　int readySet = selectionKey.readyOps();

 　　也可以使用以下四个方法获取已就绪事件，返回值为boolean：

selectionKey.isAcceptable();  
selectionKey.isConnectable();  
selectionKey.isReadable();  
selectionKey.isWritable();  

 　　可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，即记录在附加对象上，方法如下：

selectionKey.attach(theObject);  
Object attachedObj = selectionKey.attachment();  

 　　可以通过选择器的select方法获取是否有就绪的通道；

• int select()　　
• int select(long timeout)　　
• int selectNow()

　　返回值表示上次执行select之后，就绪通道的个数。　

　　可以通过selectedKeySet获取已就绪的通道。返回值是SelectionKey 的集合，处理完相应的通道之后，需要removed 因为Selector不会自己removed

　　select阻塞后，可以用wakeup唤醒；执行wakeup时，如果没有阻塞的select  那么执行完wakeup后下一个执行select就会立即返回。

　　调用close() 方法关闭selector

 下面是一个简单的实例代码，帮助理解上面的内容：

package com.pt.nio;

import java.net.InetAddress;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class Reactor implements Runnable {
    public int id = 100001;
    public int bufferSize = 2048;
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        init();
    }

    public void init() {
        try {
            // 创建通道和选择器
            ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
            Selector selector = Selector.open();
            InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(
                    InetAddress.getLocalHost(), 4700);
            socketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
            // 设置通道非阻塞 绑定选择器
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT).attach(
                    id++);
            System.out.println("Server started .... port:4700");
            listener(selector);

        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }
    }

    public void listener(Selector in_selector) {
        try {
            while (true) {
                Thread.sleep(1*1000);
                in_selector.select(); // 阻塞 直到有就绪事件为止
                Set<SelectionKey> readySelectionKey = in_selector
                        .selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = readySelectionKey.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = it.next();
                    // 判断是哪个事件
                    if (selectionKey.isAcceptable()) {// 客户请求连接
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 接受请求事件");
                        // 获取通道 接受连接,
                        // 设置非阻塞模式（必须），同时需要注册 读写数据的事件，这样有消息触发时才能捕获
                        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey
                                .channel();
                        serverSocketChannel
                                .accept()
                                .configureBlocking(false)
                                .register(
                                        in_selector,
                                        SelectionKey.OP_READ
                                                | SelectionKey.OP_WRITE).attach(id++);
                        System.out
                                .println(selectionKey.attachment() + " - 已连接");

                        // 下面这种写法是有问题的 不应该在serverSocketChannel上面注册
                        /*
                         * serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                         * serverSocketChannel.register(in_selector,
                         * SelectionKey.OP_READ);
                         * serverSocketChannel.register(in_selector,
                         * SelectionKey.OP_WRITE);
                         */
                    }
                    if (selectionKey.isReadable()) {// 读数据
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 读数据事件");
                        SocketChannel clientChannel=(SocketChannel)selectionKey.channel();
                        ByteBuffer receiveBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
                        clientChannel.read(receiveBuf);
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 读取数据：" + getString(receiveBuf));
                    }
                    if (selectionKey.isWritable()) {// 写数据
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 写数据事件");
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        ByteBuffer sendBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
                        String sendText = "hello
";
                        sendBuf.put(sendText.getBytes());
                        sendBuf.flip();        //写完数据后调用此方法
                        clientChannel.write(sendBuf);
                    }
                    if (selectionKey.isConnectable()) {
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 连接事件");
                    }
                    // 必须removed 否则会继续存在，下一次循环还会进来,
                    // 注意removed 的位置，针对一个.next() remove一次
                    it.remove(); 
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            System.out.println("Error - " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }

    }
    /**
     * ByteBuffer 转换 String
     * @param buffer
     * @return
     */
    public static String getString(ByteBuffer buffer)
    {
        String string = "";
        try
        {
            for(int i = 0; i<buffer.position();i++){
                string += (char)buffer.get(i);
            }
            return string;
        }
        catch (Exception ex)
        {
            ex.printStackTrace();
            return "";
        }
    }
}

NIO服务器端

package com.pt.bio;

import java.io.*;
import java.net.*;

public class BioServer implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Hello Server!!");

        try {
            ServerSocket server = null;
            try {
                server = new ServerSocket(4700);
                // 创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("can not listen to:" + e);
                // 出错，打印出错信息
            }
            Socket socket = null;
            try {
                socket = server.accept();
                // 使用accept()阻塞等待客户请求，有客户
                // 请求到来则产生一个Socket对象，并继续执行
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("Error." + e);
                // 出错，打印出错信息
            }
            String line;
            BufferedReader is = new BufferedReader(new InputStreamReader(
                    socket.getInputStream()));
            // 由Socket对象得到输入流，并构造相应的BufferedReader对象
            
            // 由Socket对象得到输出流，并构造PrintWriter对象
//            BufferedReader sin = new BufferedReader(new InputStreamReader(
//                    System.in));
            // 由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
            System.out.println("Client:" + is.readLine());
            PrintWriter os = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            // 在标准输出上打印从客户端读入的字符串
            line = "hello";
            // 从标准输入读入一字符串
//            while (!line.equals("bye")) {
                // 如果该字符串为 "bye"，则停止循环
                os.println(line);
                // 向客户端输出该字符串
                os.flush();
                // 刷新输出流，使Client马上收到该字符串
//                System.out.println("Server:" + line);
                // 在系统标准输出上打印读入的字符串
//                System.out.println("Client:" + is.readLine());
                // 从Client读入一字符串，并打印到标准输出上
//                line = sin.readLine();
                // 从系统标准输入读入一字符串
//            } // 继续循环
//            os.close(); // 关闭Socket输出流
            is.close(); // 关闭Socket输入流
            socket.close(); // 关闭Socket
            server.close(); // 关闭ServerSocket
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("Error." + e);
            // 出错，打印出错信息
        }

    }

}

BIO服务器端

package com.pt;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

import org.junit.Test;

import com.pt.bio.BioServer;
import com.pt.nio.Reactor;

public class TestReactor {

    @Test
    public void testConnect() throws Exception{
        Socket socket=new Socket("192.168.82.35",4700);//BIO 阻塞
        System.out.println("连接成功");
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
         
        //下面这种写法，不用关闭客户端，服务器端也是可以收到的
        {
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
            printWriter.println("hi");
            printWriter.flush();
        }
        //这种写法必须关闭客户端，服务器端才可以收到 NIO不用
        {
//        socket.getOutputStream().write(new byte[]{'h','i'});
//        socket.getOutputStream().flush();
        //必须关闭BIO服务器才能收到消息.NIO服务器不需要关闭
        //socket.close();
        }
        byte[] buf = new byte[2048];
        System.out.println("准备读取数据~~");
        
        while(true){
            try {
                //两种读取数据方式
                int count = socket.getInputStream().read(buf);        //会阻塞
                //String readFromServer = bufferedReader.readLine();//可以读取到数据 会阻塞,直到遇见

                //System.out.println("方式二： 读取数据" + readFromServer);    
                System.out.println("方式一： 读取数据" + new String(buf) + " count = " + count);
                Thread.sleep(1*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            //break;
        }
        
    }
    
    @Test 
    public void testNioServer(){
        Thread server = new Thread(new Reactor());
        server.start();

        while(true){
            try {
                Thread.sleep(3*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    @Test
    public void testBioServer(){
        Thread server = new Thread(new BioServer());
        server.start();

        while(true){
            try {
                Thread.sleep(3*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

BIO客户端及测试类

 其中 testNioServer()方法，是启动NIO服务器端；

testBioServer()方法是启动BIO服务器端

testConnect()是BIO的一个连接

基于NIO实现的时钟服务器：http://www.cnblogs.com/tengpan-cn/p/6529628.html

一篇写的比较详细的JAVA NIO的文章：http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO