Java Socket 编程那些事（2）

作者: Kevin_ZGJ | 来源:发表于2017-09-10 16:26 被阅读100次

前言

在上一篇博客中，我们使用了BIO,也就是同步阻塞式IO实现了Socket通信。
Java Socket编程那些事（1）
现在我们使用jdk1.4之后的NIO来实现，NIO(new io / no-blocking io)，同步非阻塞IO。

基本原理

服务端打开一个通道（ServerSocketChannel），并向通道中注册一个选择器（Selector），这个选择器是与一些感兴趣的操作的标识（SelectionKey，即通过这个标识可以定位到具体的操作，从而进行响应的处理）相关联的，然后基于选择器（Selector）轮询通道（ServerSocketChannel）上注册的事件，并进行相应的处理。
客户端在请求与服务端通信时，也可以向服务器端一样注册（比服务端少了一个SelectionKey.OP_ACCEPT操作集合），并通过轮询来处理指定的事件，而不必阻塞。

服务端

package com.richstonedt.socket;

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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;

/**
 * @author zhangguoji
 * @date 2017/9/8 20:47
 */
public class NIOServer {
    private Selector selector;

    /**
     * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     * @param port 绑定的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initServer(int port) throws IOException {
        // 获得一个ServerSocket通道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
        // 将该通道对应的ServerSocket绑定到本地port端口
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
        //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     *
     * @throws IOException
     */
    public void listen() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动成功！");
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
            Iterator<SelectionKey> iterator = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                iterator.remove();
                // 客户端请求连接事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
                            .channel();
                    // 获得和客户端连接的通道
                    SocketChannel channel = server.accept();
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给客户端发送信息
                    channel.write(ByteBuffer.wrap("向客户端发送了一条信息".getBytes()));
                    //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }
            }

        }
    }

    /**
     * 处理读取客户端发来的信息 的事件
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException {
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端收到信息：" + msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
    }

    /**
     * 启动服务端测试
     *
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8000);
        server.listen();
    }
}

服务端连接过程
1、创建ServerSocketChannel实例serverSocketChannel，并bind到指定端口。
2、创建Selector实例selector；
3、将serverSocketChannel注册到selector，并指定事件OP_ACCEPT。
4、while循环执行：
4.1、调用select方法，该方法会阻塞等待，直到有一个或多个通道准备好了I/O操作或等待超时。
4.2、获取选取的键列表；
4.3、循环键集中的每个键：
4.3.a、获取通道，并从键中获取附件（如果添加了附件）；
4.3.b、确定准备就绪的操纵并执行，如果是accept操作，将接收的信道设置为非阻塞模式，并注册到选择器；
4.3.c、如果需要，修改键的兴趣操作集；
4.3.d、从已选键集中移除键

客户端

package com.richstonedt.socket;

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.util.Iterator;

/**
 * NIO客户端
 *
 * @author zhangguoji
 * @date 2017/9/8 21:43
 */
public class NIOClient {
    //通道管理器
    private Selector selector;

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     *
     * @param ip   连接的服务器的ip
     * @param port 连接的服务器的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip, int port) throws IOException {
        // 获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();

        // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect();才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     *
     * @throws IOException
     */
    public void listen() throws IOException {
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator<SelectionKey> iterator = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                iterator.remove();
                // 连接事件发生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key
                            .channel();
                    // 如果正在连接，则完成连接
                    if (channel.isConnectionPending()) {
                        channel.finishConnect();

                    }
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap("向服务端发送了一条信息".getBytes()));
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }

            }

        }
    }

    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 的事件
     *
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException {
        // 客户端可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("客户端收到信息：" + msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);// 将消息回送给服务端
    }


    /**
     * 启动客户端测试
     *
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost", 8000);
        client.listen();
    }
}

客户端连接过程：(和服务器端类似)
1、创建SocketChannel实例socketChannel，并连接到服务器端口
2、创建Selector实例selector；
3、将socketChannel注册到selector，并指定事件OP_CONNECT。
4、while循环执行：
4.1、调用select方法，该方法会阻塞等待，直到有一个或多个通道准备好了I/O操作或等待超时。
4.2、获取选取的键列表；
4.3、循环键集中的每个键：
4.3.a、获取通道，并从键中获取附件（如果添加了附件）；
4.3.b、确定准备就绪的操纵并执行，如果是accept操作，将接收的信道设置为非阻塞模式，并注册到选择器；
4.3.c、如果需要，修改键的兴趣操作集；
4.3.d、从已选键集中移除键

运行结果

最终这两段代码的运行结果就是客户端和服务器之间不断发送信息
server:

服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
服务端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
...

client:

客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
客户端收到信息：向服务端发送了一条信息向客户端发送了一条信息
...

实现原理

其实Java的NIO使用了IO多路复用，，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。
目前支持的IO多路复用有select,poll和epoll。
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

select

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE设置，默认值是1024。
　　一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.
对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。
　　当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。
需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

poll

基本原理：poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。
它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：

大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。
poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
基本原理：epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。
epoll的优点：

没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。
效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。
　　只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

epoll原理

epoll是Linux下的一种IO多路复用技术，可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄。
c封装后的3个epoll系统调用

int epoll_create(int size)
epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数，多于这个最大数时内核可不保证效果。
*nt epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event event)
epoll_ctl可以操作epoll_create创建的epoll，如将socket句柄加入到epoll中让其监控，或把epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll。
*int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event events,int maxevents, int timeout)
epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，所监控的句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

大概看看epoll内部是怎么实现的：

epoll初始化时，会向内核注册一个文件系统，用于存储被监控的句柄文件，调用epoll_create时，会在这个文件系统中创建一个file节点。同时epoll会开辟自己的内核高速缓存区，以红黑树的结构保存句柄，以支持快速的查找、插入、删除。还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。
当执行epoll_ctl时，除了把socket句柄放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后，就把socket插入到就绪链表里。
当epoll_wait调用时，仅仅观察就绪链表里有没有数据，如果有数据就返回，否则就sleep，超时时立刻返回。
epoll的两种工作模式：

LT：level-trigger，水平触发模式，只要某个socket处于readable/writable状态，无论什么时候进行epoll_wait都会返回该socket。
ET：edge-trigger，边缘触发模式，只有某个socket从unreadable变为readable或从unwritable变为writable时，epoll_wait才会返回该socket。

Java Socket 编程那些事（2）

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服务端

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运行结果

实现原理

select

poll

epoll

epoll原理

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