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一、前言
先来看一下NIO的工作流程图#xff1a; NIO三大核心组件#xff0c;channel#xff08;通道#xff09;、Buffer#xff08;缓冲区#xff09;、selector#xff08;选择器#xff09;。NIO利用的是多路复用模型#xff0c;一个线程处理多个IO的读…NIO学习
一、前言
先来看一下NIO的工作流程图 NIO三大核心组件channel通道、Buffer缓冲区、selector选择器。NIO利用的是多路复用模型一个线程处理多个IO的读写操作,轮询的查看是否有就绪时间来进行后续的操作。channel并不直接拥有数据他只是一个通道通道内真实操作数据的是buffer缓存所以通道是一个双向的既可以读也可以写。
二、Buffer缓冲区
缓冲区的作用就是作为运输数据的载体在通道中进行运输是在内存中进行的本质其实就是数组。
JAVA NIO包内声明了常见的几种数据类型的实现。
2.1、核心属性
position是读取或者写入下一个元素的索引值该值随着读取写入而改变但是不会超过limit。limit读取或者写入的限制值比如读到该值就不能继续读了。capacity生命缓冲区数组的大小该值不可改变。
position limit capacity2.2、基本使用
编写一个输出方法 public static void printf(Buffer buffer) {System.out.println(limit: buffer.limit());System.out.println(capacity: buffer.capacity());System.out.println(position: buffer.position());}使用完整示例
public static void main(String[] args) {System.out.println(《初始化数据》);String s ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ;// 初始化缓冲区CharBuffer buffer CharBuffer.allocate(1024);buffer.put(s.toCharArray());printf(buffer);System.out.println(《flip》);// 转换为读取模式buffer.flip();printf(buffer);while (buffer.hasRemaining()) {char c buffer.get();System.out.print(c);}System.out.println();// 反转可以重新读取System.out.println(《rewind》);buffer.rewind();printf(buffer);// 判断limit的值是否大于position大于说明还没读取完int i 0;while (buffer.hasRemaining()) {if (i 10) {// 打上标记buffer.mark();}char c buffer.get();System.out.print(c);i;}System.out.println();System.out.println(《reset输出》);buffer.reset();System.out.println(buffer.get());System.out.println(《compact》);// 转换为写入模式buffer.compact();String s1 1234;buffer.put(s1.toCharArray());printf(buffer);// 转换为读取模式buffer.flip();for (int j 0; j buffer.limit(); j) {char c buffer.get();System.out.print(c);}System.out.println();System.out.println(《clear一下》);// 转换为读取模式buffer.clear();String s2 5678;buffer.put(s2.toCharArray());printf(buffer);// 转换为读取模式buffer.flip();for (int j 0; j buffer.limit(); j) {char c buffer.get();System.out.print(c);}System.out.println();}public static void printf(Buffer buffer) {System.out.println(limit: buffer.limit());System.out.println(capacity: buffer.capacity());System.out.println(position: buffer.position());
}上面代码的输出顺序以及解释 初始化数据并插入 limit:1024
capacity:1024
position:26allocate() 方法进行初始化buffer数组大小。 初始值limit与capacity相等position随着插入数据后移。 flip操作 limit:26
capacity:1024
position:0
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ转换为读取模式重置limit为positionposition为0。 hasRemaining() 方法比较的是position是否小于limit表示是否读取结束。 随着get()方法读取position后移直到与limit相等读取完毕。 rewind操作 limit:26
capacity:1024
position:0
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ重现读取把position设置为0mark标志位设置为-1。 reset操作 K再上面rewind方法后的读取中再第10个索引上用mark方法打上了标志位。 reset方法就是将标志位设置到position从标志位再次开始读取。 通常mark方法与reset方法配合使用。 compact操作 limit:1024
capacity:1024
position:19
LMNOPQRSTUVWXYZ1234转换为写操作继续往缓冲区中写了1234字符串。 该方法并不会将position设置为0而是将未读取得数据复制到数组起始处然后接着写入到缓冲区。 在上面reset方法中读取到了K所以这儿读取从L开始接着读取到了本次写入的1234。 clear操作 limit:1024
capacity:1024
position:4
5678 转换为写操作与上述compact方法区别是会清空缓冲区并没有清除数据重新写入得时候会覆盖原来得数据重设position为0从0开始写入5678。 所以这儿flip转换为读取之后仅仅读取到了5678。
总的来说
使用创建子类实例对象的allocate()方法创建一个Buffer类的实例对象。调用put()方法将数据写入到缓冲区中。写入完成后在开始读取数据前调用Buffer.flip()方法将缓冲区转换为读模式。调用get()方法可以从缓冲区中读取数据。读取完成后调用Buffer.clear()方法或Buffer.compact()方法将缓冲区转换为写入模式可以继续写入。
三、channel管道
channel是NIO的一个核心组件表示一个打开的连接是连接到支持IO设备的通道配合buffer来进行数据的传输。
比较重要的通道由以下四个
FileChannel: 文件通道用于文件的读写。ServerSocketChannel: TCP连接的数据读写常用作客户端。SocketChannel: TCP连接的监听程序常用作服务端。DatagramChannel: 用于UDP协议的数据读写。
3.1、FileChannel用法
用FileChannel实现文件的复制。 /*** 文件通道** throws IOException*/public static void fileChannel() throws IOException {// 文件输入流FileInputStream fis new FileInputStream(fileInputSrcFile);// 文件输出流FileOutputStream fos new FileOutputStream(fileOutSrcFile);// 开启通道FileChannel inputChannel fis.getChannel();FileChannel outputChannel fos.getChannel();// 初始化缓冲区的大小为1mByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);// 输入通道读取文件到缓冲区中while (inputChannel.read(buffer) 0) {// 转换为读取模式buffer.flip();outputChannel.write(buffer);// 清空缓存重新写入buffer.clear();}inputChannel.close();outputChannel.close();fis.close();fos.close();}
3.2、SocketChannel和ServerSocketChannel用法
一个是SocketChannel负责连接的数据传输另一个是ServerSocketChannel负责连接的监听。
ServerSocketChannel仅仅应用于服务器端而SocketChannel则同时处于服务器端和客户端所以对应于一个连接两端都有一个负责传输的SocketChannel传输通道。
两种都有阻塞和非阻塞的模式通过方法
channel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
channel.configureBlocking(true); // 阻塞模式
这儿暂时按下不表后面介绍选择器的时候一起讲解。
3.3、DatagramChannel用法
使用open方法进行打开创建DatagramChannel但是还未进行连接可使用send()和receive()方法收发数据不过每次都要连接检查。若要使用read和write收发数据则需要用connect建立连接连接状态可通过isConnected方法检查。
send()和receive()使用的缓冲区若太小则会丢弃超出缓冲区大小之外的数据。使用时需要注意。
服务端代码
public class UdpServer {public static void main(String[] args) {try {DatagramChannel channel DatagramChannel.open();channel.configureBlocking(false);// 如果在两台物理计算机中进行实验则要把localhost改成服务端的IP地址InetSocketAddress localhost new InetSocketAddress(localhost, 8888);InetSocketAddress remoteHost new InetSocketAddress(localhost, 7777);channel.bind(localhost);channel.connect(remoteHost);channel.isConnected();Selector selector Selector.open();// SelectionKey.OP_WRITE |channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while (true) {selector.select();SetSelectionKey selectionKeys selector.selectedKeys();IteratorSelectionKey it selectionKeys.iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key it.next();channel (DatagramChannel) key.channel();if (key.isReadable()) {ByteBuffer byteBuffer ByteBuffer.allocate(1024);// channel.receive(byteBuffer);channel.read(byteBuffer);System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, byteBuffer.position()));}it.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
客户端代码
public class UdpClient {public static void main(String[] args) {try {DatagramChannel channel DatagramChannel.open();channel.configureBlocking(false);InetSocketAddress localhost new InetSocketAddress(localhost, 7777);InetSocketAddress remoteHost new InetSocketAddress(localhost, 8888);channel.bind(localhost);Selector selector Selector.open();channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);channel.connect(remoteHost);selector.select();SetSelectionKey selectionKeys selector.selectedKeys();IteratorSelectionKey it selectionKeys.iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey key it.next();DatagramChannel client (DatagramChannel) key.channel();System.out.println(client channel);if (key.isWritable()) {ByteBuffer byteBuffer ByteBuffer.wrap(我来自客户端.getBytes());// client.send(byteBuffer, remoteHost);client.write(byteBuffer);client.close();}}System.out.println(client end!);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
先启动server再启动client再服务端会接收到客户端传输的数据并打印到控制台。
我来自客户端
四、selector选择器
作用 选择器的使命是完成IO的多路复用其主要工作是通道的注册、监听、事件查询。一个通道代表一条连接通路通过选择器可以同时监控多个通道的IO输入输出状况。选择器和通道的关系是监控和被监控的关系。
4.1、选择器事件
IO事件有以下四种常量定义在SelectionKey类中
OP_READ 读事件OP_WRITE 写事件OP_CONNECT 连接事件OP_ACCEPT 接收事件
什么是IO事件这里的IO事件不是对通道的IO操作而是通道处于某个IO操作的就绪状态表示通道具备执行某个IO操作的条件。
某个SocketChannel传输通道如果完成了和对端的三次握手过程则会发生“连接就绪”OP_CONNECT的事件。某个ServerSocketChannel服务器连接监听通道在监听到一个新连接的到来时则会发生“接收就绪”OP_ACCEPT的事件。一个SocketChannel通道有数据可读则会发生“读就绪”OP_READ事件。一个等待写入数据的SocketChannel通道会发生写就绪OP_WRITE事件。
4.2、使用示例
上面在通道用法的时候已经介绍了选择器的使用。
这儿利用选择器和通道来实现文件的下载
// 服务端代码
public class DownloadFileServer {public static String fileOutPngSrcFile C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\origin.pdf;public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel channel ServerSocketChannel.open();Selector selector Selector.open();// 设置为非阻塞channel.configureBlocking(false);// 绑定ip端口channel.bind(new InetSocketAddress(9999));channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {// 会发生阻塞selector.select();IteratorSelectionKey iterator selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {// 有新的连接ServerSocketChannel server (ServerSocketChannel) key.channel();// 接受连接SocketChannel socketChannel server.accept();socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);System.out.println(客户端已连接....);} else if (key.isWritable()) {// 写的请求SocketChannel client (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer[] bufferArray new ByteBuffer[2];ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(128);ByteBuffer buffer1 ByteBuffer.allocate(1024);bufferArray[0] buffer;bufferArray[1] buffer1;FileInputStream fis new FileInputStream(fileOutPngSrcFile);FileChannel fileChannel fis.getChannel();System.out.println(正在读取文件....);while (fileChannel.read(bufferArray) 0) {for (ByteBuffer byteBuffer : bufferArray) {byteBuffer.flip();}client.write(bufferArray);for (ByteBuffer byteBuffer : bufferArray) {byteBuffer.clear();}}// 服务端等待客户端读取System.out.println(结束写操作);fis.close();fileChannel.close();client.close();}}}}
}
客户端代码
public class DownloadFileClient {public static String fileOutPngSrcFile C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\download.pdf;public static void main(String[] args) throws IOException {SocketChannel channel SocketChannel.open();Selector selector Selector.open();channel.configureBlocking(false);// 连接到服务端channel.connect(new InetSocketAddress(9999));// 注册连接事件channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);boolean finished true;while (finished) {selector.select();IteratorSelectionKey iterator selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key iterator.next();// 事件已处理完毕避免重复处理移除事件。iterator.remove();if (key.isConnectable()) {// 连接事件SocketChannel client (SocketChannel) key.channel();client.configureBlocking(false);if (client.isConnectionPending()) {while (!client.finishConnect()) {}}// 连接成功后注册接收服务器消息的事件int ops SelectionKey.OP_READ;client.register(selector, ops);// 订阅读取事件System.out.println(连接成功....);} else if (key.isReadable()) {// 读取事件进行复制SocketChannel client (SocketChannel) key.channel();// 这儿用了数组利用了分散与聚集的写法当然也可以使用单个缓冲区。ByteBuffer[] bufferArray new ByteBuffer[2];ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(128);ByteBuffer buffer1 ByteBuffer.allocate(1024);bufferArray[0] buffer;bufferArray[1] buffer1;FileOutputStream fos new FileOutputStream(fileOutPngSrcFile);FileChannel fileChannel fos.getChannel();System.out.println(正在下载文件....);while (client.read(bufferArray) 0) {for (ByteBuffer byteBuffer : bufferArray) {byteBuffer.flip();}fileChannel.write(bufferArray);for (ByteBuffer byteBuffer : bufferArray) {byteBuffer.clear();}}fos.close();fileChannel.close();finished false;}}}}
}
五、简易聊天框
5.1、先看效果
启动服务端
启动服务中......
聊天室服务已启动
启动客户端一
请输入自定义用户名
猪八戒
您的昵称通过验证 猪八戒
再启动一个客户端二
请输入自定义用户名
孙悟空
您的昵称通过验证 孙悟空
这是客户端一会提示有新的用户上线。
欢迎孙悟空上线当前在线人数2人。用户列表[孙悟空, 猪八戒]
服务端也会提示客户端建立了连接
客户端/127.0.0.1:10197建立连接
客户端/127.0.0.1:10201建立连接
这时就可以在控制台聊天了。
客户端一客户端二就可以互相接收到彼此的消息了。
5.2、实现功能点
服务端作为服务器用来监控客户端的情况如注册在线人数谁连接了谁退出了等。客户端实现聊天输入用户名的功能。
5.3、代码
服务端
public class ChatDemoServer {private final String hostname 127.0.0.1;private final Integer port 7879;private final String seperator [|]; // 消息分隔符private final Charset charset StandardCharsets.UTF_8; // 字符集private final ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024); // 缓存private final MapString, SocketChannel onlineUsers new HashMap();// 将用户对应的channel对应起来private ServerSocketChannel ssc;// 将用户对应的channel对应起来private Selector selector;// 将用户对应的channel对应起来public static void main(String[] args) throws IOException {ChatDemoServer chatDemoServer new ChatDemoServer();System.out.println(启动服务中......);chatDemoServer.startServer();}public void startServer() throws IOException {// 监控ssc ServerSocketChannel.open();ssc.bind(new InetSocketAddress(hostname, port));// 设置为非阻塞模式ssc.configureBlocking(false);selector Selector.open();// 监听链接ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println(聊天室服务已启动);while (true) {// 若无可处理的则阻塞selector.select();SetSelectionKey keys selector.selectedKeys();IteratorSelectionKey ite keys.iterator();while (ite.hasNext()) {SelectionKey key ite.next();ite.remove();if (key.isAcceptable()) {// 如果检测到已连接SocketChannel client ssc.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println(客户端 client.getRemoteAddress() 建立连接);// 链接上之后直接给客户端发消息提示输入注册用户名client.write(charset.encode(请输入自定义用户名));} else if (key.isReadable()) {SocketChannel client (SocketChannel) key.channel();// 通过key取得客户端channelbuffer.clear();StringBuilder msg new StringBuilder();try {while (client.read(buffer) 0) {buffer.flip();msg.append(charset.decode(buffer));buffer.clear();}} catch (IOException e) {// 如果client.read(buffer)抛出异常说明此客户端主动断开连接需做下面处理client.close(); // 关闭channelkey.cancel(); // 将channel对应的key置为不可用onlineUsers.values().remove(client); // 将问题连接从map中删除System.out.println(-----用户 key.attachment() 退出连接当前用户列表 onlineUsers.keySet().toString() -----);continue; // 跳出循环}if (msg.length() 0) {processMsg(msg.toString(), client, key); // 处理消息体}}}}}// 消息处理public void processMsg(String msg, SocketChannel client, SelectionKey key) throws IOException {String[] msArray msg.split(seperator);if (msArray.length 1) {// 注册中String username msArray[0];if (onlineUsers.containsKey(username)) {client.write(charset.encode(当前用户已存在请重新输入用户名));} else {onlineUsers.put(username, client);key.attach(username); // 给通道定义一个表示符String welCome \t欢迎 username 上线当前在线人数 getOnLineNum() 人。用户列表 onlineUsers.keySet();client.write(charset.encode(您的昵称通过验证 username));broadCast(welCome, client); // 给客户端广播上线}} else {String message msArray[0];String username msArray[1];broadCast(【 username 】 message, client);}}// 广播上线消息private void broadCast(String msg, SocketChannel currentChannel) throws IOException {Channel channel;for (SelectionKey k : selector.keys()) {channel k.channel();if (channel instanceof SocketChannel currentChannel ! channel) {SocketChannel client (SocketChannel) channel;client.write(charset.encode(msg));}}}// map中的有效数量已被很好的控制可以从map中获取也可以用下面的方法取private int getOnLineNum() {int count 0;Channel channel;for (SelectionKey k : selector.keys()) {channel k.channel();if (channel instanceof SocketChannel) { // 排除ServerSocketChannelcount;}}return count;}}
服务端启动注册监控连接事件。客户端启动之后服务端执行accept事件给客户端发消息提示注册用户名并注册了read事件。客户端输入完用户名之后执行read事件通过processMsg方法处理消息如果已经注册成功则用 | 分割用户名以及消息体length 为 2否则就是注册length 为 1校验用户名是否重复然后给客户端通知通过与否。通过则给所有的客户端广播新的用户上线了。
客户端代码
public class ChatDemoClient {private final String hostname 127.0.0.1;private final Integer port 7879;private final String seperator |; // 消息分隔符private final Charset charset StandardCharsets.UTF_8; // 字符集private final ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024); // 缓存private SocketChannel client;// 将用户对应的channel对应起来private boolean flag true; // 服务端断开客户端的读事件不会一直发生与服务端不一样private String username ;public static void main(String[] args) throws IOException {ChatDemoClient chatDemoClient new ChatDemoClient();// 启动客户端chatDemoClient.startClient();}public void startClient() throws IOException {// 将用户对应的channel对应起来Selector selector Selector.open();client SocketChannel.open();client.configureBlocking(false);client.connect(new InetSocketAddress(hostname, port));// 注册连接事件client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);// 编写输入文字writeMsgThread();while (flag) {try {selector.select();IteratorSelectionKey ite selector.selectedKeys().iterator();while (ite.hasNext()) {SelectionKey key ite.next();ite.remove();SocketChannel channel (SocketChannel) key.channel();if (key.isConnectable()) {// 连接中if (channel.isConnectionPending()) {while (!channel.finishConnect()) {System.out.println(客户端连接中请等待......);}}channel.configureBlocking(false);channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {buffer.clear();StringBuilder msg new StringBuilder();try {while (channel.read(buffer) 0) {buffer.flip();msg.append(charset.decode(buffer));buffer.clear();}} catch (IOException exception) {System.out.println(exception.getMessage() ,客户端 key.attachment().toString() 读线程退出);stopMainThread();}if (msg.toString().contains(您的昵称通过验证)) {String[] returnStr msg.toString().split( );username returnStr[1];key.attach(username);}// 打印消息System.out.println(msg);}}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}System.out.println(房间已关闭即将退出房间......);}public void writeMsgThread() {Scanner scanner new Scanner(System.in);Thread thread new Thread(() - {String input ;while (flag) {input scanner.nextLine();if (.equals(input)) {System.out.println(不允许输入空串);continue;} else if (.equals(username)) { // 姓名如果没有初始化// 啥也不干之后发给服务端验证姓名} else { // 如果姓名已经初始化那么说明现在的字符串就是想说的话input input seperator username;}try {// 写给其他人的信息client.write(charset.encode(input));} catch (Exception e) {System.out.println(e.getMessage() 客户端主线程退出连接);}}});thread.setDaemon(true);thread.start();}private void stopMainThread() {flag false;}
}
客户端启动之后通过connect方法与服务端建立连接注册连接事件。新开启了一个用来控制台输入的线程用来聊天以及与服务端注册交互并将线程设置为守护线程。连接成功之后注册读取事件读取服务端以及其他客户端的消息。
