《Netty 权威指南》—— NIO创建的TimeClient源码分析

xiaoxiao2024-03-14 16

声明：本文是《Netty 权威指南》的样章，感谢博文视点授权并发编程网站发布样章，禁止以任何形式转载此文。

我们首先还是看下如何对TimeClient进行改造:

01 public class TimeClient { 02 03 /** 04 * @param args 05 */ 06 public static void main(String[] args) { 07 08 int port = 8080; 09 if (args != null && args.length > 0) { 10 try { 11 port = Integer.valueOf(args[0]); 12 } catch (NumberFormatException e) { 13 // 采用默认值 14 } 15 } 16 new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001") 17 .start(); 18 } 19}

与之前唯一不同的就是我们通过创建TimeClientHandle线程来处理异步连接、读写操作，由于TimeClient非常简单且变更不大，我们重点分析TimeClientHandle，代码如下：

001 public class TimeClientHandle implements Runnable { 002 private String host; 003 private int port; 004 private Selector selector; 005 private SocketChannel socketChannel; 006 private volatile boolean stop; 007 008 public TimeClientHandle(String host, int port) { 009 this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host; 010 this.port = port; 011 try { 012 selector = Selector.open(); 013 socketChannel = SocketChannel.open(); 014 socketChannel.configureBlocking(false); 015 } catch (IOException e) { 016 e.printStackTrace(); 017 System.exit(1); 018 } 019 } 020 021 /* 022 * (non-Javadoc) 023 * 024 * @see java.lang.Runnable#run() 025 */ 026 @Override 027 public void run() { 028 try { 029 doConnect(); 030 } catch (IOException e) { 031 e.printStackTrace(); 032 System.exit(1); 033 } 034 while (!stop) { 035 try { 036 selector.select(1000); 037 Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); 038 Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator(); 039 SelectionKey key = null; 040 while (it.hasNext()) { 041 key = it.next(); 042 it.remove(); 043 try { 044 handleInput(key); 045 } catch (Exception e) { 046 if (key != null) { 047 key.cancel(); 048 if (key.channel() != null) 049 key.channel().close(); 050 } 051 } 052 } 053 } catch (Exception e) { 054 e.printStackTrace(); 055 System.exit(1); 056 } 057 } 058 059 // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源 060 if (selector != null) 061 try { 062 selector.close(); 063 } catch (IOException e) { 064 e.printStackTrace(); 065 } 066 } 067 068 private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException { 069 070 if (key.isValid()) { 071 // 判断是否连接成功 072 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); 073 if (key.isConnectable()) { 074 if (sc.finishConnect()) { 075 sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); 076 doWrite(sc); 077 } else 078 System.exit(1);// 连接失败，进程退出 079 } 080 if (key.isReadable()) { 081 ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); 082 int readBytes = sc.read(readBuffer); 083 if (readBytes > 0) { 084 readBuffer.flip(); 085 byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()]; 086 readBuffer.get(bytes); 087 String body = new String(bytes, "UTF-8"); 088 System.out.println("Now is : " + body); 089 this.stop = true; 090 } else if (readBytes < 0) { 091 // 对端链路关闭 092 key.cancel(); 093 sc.close(); 094 } else 095 ; // 读到0字节，忽略 096 } 097 } 098 099 } 100 101 private void doConnect() throws IOException { 102 // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答 103 if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) { 104 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); 105 doWrite(socketChannel); 106 } else 107 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); 108 } 109 110 private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException { 111 byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes(); 112 ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length); 113 writeBuffer.put(req); 114 writeBuffer.flip(); 115 sc.write(writeBuffer); 116 if (!writeBuffer.hasRemaining()) 117 System.out.println("Send order 2 server succeed."); 118 } 119}

与服务端类似，我们通过对关键步骤的源码进行分析和解读，让大家深入了解如何创建NIO客户端以及如何使用NIO的API。

8-19行构造函数用于初始化NIO的多路复用器和SocketChannel对象，需要注意的是创建SocketChannel之后，需要将其设置为异步非阻塞模式。就像在2.3.3章节中所讲的，我们可以设置SocketChannel的TCP参数，例如接收和发送的TCP缓冲区大小 28-33行用于发送连接请求，作为示例，连接是成功的，所以不需要做重连操作，因此将其放到循环之前。下面我们具体看看doConnect的实现，代码跳到第116-123行，首先对SocketChannel的connect()操作进行判断，如果连接成功，则将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，注册SelectionKey.OP_READ，如果没有直接连接成功，说明服务端没有返回TCP握手应答消息，这并不代表连接失败，我们需要将SocketChannel注册到多路复用器Selector上，注册SelectionKey.OP_CONNECT，当服务端返回TCP syn-ack消息后，Selector就能够轮询到这个SocketChannel处于连接就绪状态 4-72行在循环体中轮询多路复用器Selector，当有就绪的Channel时，执行第59行的handleInput(key)方法，下面我们就对handleInput方法进行分析。

跳到第68行，我们首先对SelectionKey进行判断，看它处于什么状态。如果是处于连接状态，说明服务端已经返回ACK应答消息，我们需要对连接结果进行判断，调用SocketChannel的finishConnect()方法，如果返回值为true，说明客户端连接成功，如果返回值为false或者直接抛出IOException,说明连接失败。在本例程中，返回值为true，说明连接成功。将SocketChannel注册到多路复用器上，注册SelectionKey.OP_READ操作位，监听网络读操作。然后发送请求消息给服务端，下面我们对doWrite(sc)进行分析。代码跳到110行，我们构造请求消息体，然后对其编码，写入到发送缓冲区中，最后调用SocketChannel的write方法进行发送，由于发送是异步的，所以会存在“半包写”问题，此处不再赘述。最后通过hasRemaining()方法对发送结果进行判断，如果缓冲区中的消息全部发送完成，打印”Send order 2 server succeed.

代码返回第80行，我们继续分析下客户端是如何读取时间服务器应答消息的。如果客户端接收到了服务端的应答消息，则SocketChannel是可读的，由于无法事先判断应答码流的大小，我们就预分配1M的接收缓冲区用于读取应答消息，调用SocketChannel的read()方法进行异步读取操作，由于是异步操作，所以必须对读取的结果进行判断，这部分的处理逻辑已经在2.3.3章节详细介绍过，此处不再赘述。如果读取到了消息，则对消息进行解码，最后打印结果。执行完成后将stop置为true，线程退出循环线程退出循环后，我们需要对连接资源进行释放，以实现“优雅退出”。60-66行用于多路复用器的资源释放，由于多路复用器上可能注册成千上万的Channel或者pipe，如果一一对这些资源进行释放显然不合适。因此，JDK底层会自动释放所有跟此多路复用器关联的资源，JDK的API DOC如下：

多路复用器Selector的资源释放

到此为止，我们已经将时间服务器通过NIO完成了改造，并对源码进行了分析和解读，下面分别执行时间服务器的服务端和客户端，看执行结果。

服务端执行结果：

NIO时间服务器服务端执行结果

客户端执行结果：

NIO时间服务器客户端执行结果

通过源码对比分析，我们发现NIO编程难度确实比同步阻塞BIO大很多，我们的NIO例程并没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码将会更加复杂。NIO代码既然这么复杂，为什么它的应用却越来越广泛呢，使用NIO编程的优点总结如下：

1) 客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞；

2) SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样IO通信线程就可以处理其它的链路，不需要同步等待这个链路可用；

3) 线程模型的优化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降，因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

JDK1.7升级了NIO类库，升级后的NIO类库被称为NIO2.0，引人注目的是Java正式提供了异步文件IO操作，同时提供了与Unix网络编程事件驱动IO对应的AIO，下面的2.4章节我们学习下如何利用NIO2.0编写AIO程序，我们还是以时间服务器为例进行讲解。

文章转自并发编程网-ifeve.com