Java网络编程----通过实现简易聊天工具来聊聊NIO

2023-05-22 15:50 由王若伊_恩赐解脱发表于 #后端开发

前文我们说过了BIO，今天我们聊聊NIO。
NIO 是什么？NIO官方解释它为New lO，由于其特性我们也称之为,Non-Blocking IO。这是jdk1.4之后新增的一套IO标准。
为什么要用NIO呢？
我们再简单回顾下BIO：
阻塞式IO，原理很简单，其实就是多个端点与服务端进行通信时，每个客户端有一个自己的socket，他们与服务端的serverSocket进行连接，服务端为每一个客户端socket 生成一个对应的socket。
这样客户端就可以通过自己的socket进行与服务端的读写，而服务端也可以通过对应的socket与客户端进行读写。
由于这些socket需要一致持有等待接听和连接，所以只能阻塞式的原地等待。这大大降低了服务器的性能上限。这就像是一个服务员只能对接自己当前的客人，无法接收多个客人的需求。
那怎么解决呢？

我先举个例子，酒店的厨房只有一个厨师，厨师并不会依次对接每一个客人，满足客人需求后，再对接下一个客人，而是会收到一份包含当前所有客户要求的菜品单。
然后开始处理菜品单，同时收集新的需求到新的菜品单中。当菜品单中所有菜品处理完成后，清空旧的菜品单，处理新的菜品单，如此反复循环。他并不会告诉第一个客人才做好了，才接收第二个客人要求的菜品。
我们来看看这个是如何实现的：

1、创建selector----->相当于厨师
2、创建服务端socketChannel
3、将服务端socketChannel绑定到selector中，同时接收accept事件------->相当于厨师收到的菜品单
4、开始循环，处理事件队列中收到的所有事件------->相当于厨师处理客户的诉求
5、如果有accept事件，就把accept事件中新连接channel也绑定到selector中，同时接收read事件。
6、处理完所有事件后清空事件队列中的事件 ------->厨师处理完所有菜品后，清空菜品单
这里本质上其实就是绑定事件，监听请求，处理事件，只是换成批量监听，和批量处理了。
服务端代码：

 1 package com.example.demo.learn.tcp;
 2 
 3 import java.io.IOException;
 4 import java.net.InetSocketAddress;
 5 import java.nio.ByteBuffer;
 6 import java.nio.channels.SelectionKey;
 7 import java.nio.channels.Selector;
 8 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
 9 import java.nio.channels.SocketChannel;
10 import java.util.Set;
11 
12 /**
13  * @discription
14  */
15 public class NIOServer {
16     static Object obj;
17 
18     public static void main(String[] args) throws IOException {
19         Selector selector = Selector.open();
20         ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
21         serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
22         serverSocketChannel.configureBlocking(false);
23         serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
24         while (true) {
25             selector.select();//注意这里
26             Set<SelectionKey> allKey = selector.selectedKeys();
27             for (SelectionKey selectionKey : allKey) {
28                 if (selectionKey.isAcceptable()) {
29                     ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
30                     if (serverChannel == serverSocketChannel) {
31                         int a = 1;
32                     }
33                     SocketChannel client = serverChannel.accept();
34                     client.configureBlocking(false);
35                     client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
36                     obj = client;
37                 } else if (selectionKey.isReadable()) {
38                     SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
39                     if (client == obj) {
40                         int a = 1;
41                     }
42                     ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
43                     client.read(buffer);
44                     buffer.flip();
45                     byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
46                     buffer.get(bytes);
47                     System.out.println("received msg :" + new String(bytes));
48                     ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.wrap("Hello , client!".getBytes());
49                     client.write(responseBuffer);
50                 }
51             }
52             allKey.clear();
53         }
54     }
55 }

为了清晰，客户端代码我们仍然采用BIO模式中的客户端代码：

 1 public class TCPClient {
 2     public static void main(String[] args) throws IOException {
 3         Socket clientSocket=new Socket("127.0.0.1",9999);
 4         ChatThread chatThread = new ChatThread(clientSocket);
 5         new Thread(chatThread).start();
 6 
 7     }
 8 }
 9 
10 class ChatThread implements Runnable {
11     private Socket clientSocket;
12 
13     ChatThread(Socket clientSocket) {
14         this.clientSocket = clientSocket;
15     }
16 
17     @Override
18     public void run() {
19         try {
20             OutputStream os = clientSocket.getOutputStream();
21             SayThread sayThread = new SayThread(os);
22             new Thread(sayThread).start();
23 
24             InputStream is = clientSocket.getInputStream();
25             byte[] buffer = new byte[1024];
26             int len = is.read(buffer);
27             while (len > 0) {
28                 String msg = new String(buffer, 0, len);
29                 System.out.println("");
30                 System.out.println("receive server msg :");
31                 System.out.println(msg);
32                 System.out.println("");
33                 len = is.read(buffer);
34             }
35             clientSocket.close();
36 
37         } catch (Exception ex) {
38             //logs
39         }
40 
41     }
42 }
43 
44 class SayThread implements Runnable {
45     private OutputStream os;
46 
47     SayThread(OutputStream outputStream) {
48         this.os = outputStream;
49     }
50 
51     @Override
52     public void run() {
53         try {
54             os.write("client connect success!!!".getBytes());
55             Scanner inputScanner = new Scanner(System.in);
56             while (true) {
57                 String str = inputScanner.nextLine();
58                 os.write(str.getBytes());
59                 os.flush();
60             }
61 
62         } catch (Exception ex) {
63             //logs
64         }
65 
66     }
67 }

先运行服务端，然后运行客户端，我们来看下效果：

如果到这里你还没看懂，有一点点迷，那么你只要记住整个NIO中我们其实只要关注三个核心东西，然后再结合前文是橙色粗体字的代码思路来理解下：
Channel：通道，类似于BIO中的Socket，我们可以通过它来进行读写
Selector：选择器，我们将Channel和他需要关心的事件绑定起来，当事件响应时，激活对应的Channel（我们常用到的监听事件，就是连接accept事件和读read事件）
Buffer：缓存，我们用来配合Channel完成高效读写的对象（这个具体内容比较复杂而且比较多，我后边会写文章专门介绍，这里先不用关心）

整体的结构图大概是这个样子的：

到这里，我们基本就对NIO有一个大致的了解了，那么NIO的代码中完全不存在阻塞等待么？
答案是还会发生阻塞等待，注意代码中的红色标记（如图，通过debug，我们也会发现线程阻塞到了这里），当线程执行到select方法处时，会进行阻塞等待。

那为什么NIO的核心组件selector 会是阻塞性方法呢？这是由于NIO本来指的就是New IO，只是在网络数据处理时，是非阻塞的，不需要单独存在一个线程管理socket等待对方写入。
而NIO更多强调的是多路复用，即通过一个线程（进程），即可以管理多个网络连接（所谓的多路）的通信。