JAVA网络IO编程

时间 2019-12-12

标签 java 网络编程栏目 Java 繁體版

原文原文链接

JAVA网络IO编程（BIO NIO AIO）

一.传统的BIO编程java

1.网络编程的基本模型是C/S模型，即两个进程间的通讯。express

服务端提供IP和监听端口，客户端经过链接操做想服务端监听的地址发起链接请求，经过三次握手链接，若是链接成功创建，双方就能够经过套接字进行通讯。编程

传统的同步阻塞模型开发中，ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；Socket负责发起链接操做。链接成功后，双方经过输入和输出流进行同步阻塞式通讯。数组

简单的描述一下BIO的服务端通讯模型：采用BIO通讯模型的服务端，一般由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的链接，它接收到客户端链接请求以后为每一个客户端建立一个新的线程进行链路处理没处理完成后，经过输出流返回应答给客户端，线程销毁。即典型的一请求一应答通宵模型。缓存

传统BIO通讯模型图：服务器

该模型最大的问题就是缺少弹性伸缩能力，当客户端并发访问量增长后，服务端的线程个数和客户端并发访问数呈1:1的正比关系，Java中的线程也是比较宝贵的系统资源，线程数量快速膨胀后，系统的性能将急剧降低，随着访问量的继续增大，系统最终就死-掉-了。网络

同步阻塞式I/O建立的Server源码：数据结构

package com.anxpp.io.calculator.bio;  
import java.io.IOException;  
import java.net.ServerSocket;  
import java.net.Socket;  
/** 
 * BIO服务端源码 
 * [@author](https://my.oschina.net/arthor) yangtao__anxpp.com 
 * [@version](https://my.oschina.net/u/931210) 1.0 
 */  
public final class ServerNormal {  
    //默认的端口号  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    //单例的ServerSocket  
    private static ServerSocket server;  
    //根据传入参数设置监听端口，若是没有参数调用如下方法并使用默认值  
    public static void start() throws IOException{  
        //使用默认值  
        start(DEFAULT_PORT);  
    }  
    //这个方法不会被大量并发访问，不太须要考虑效率，直接进行方法同步就好了  
    public synchronized static void start(int port) throws IOException{  
        if(server != null) return;  
        try{  
            //经过构造函数建立ServerSocket  
            //若是端口合法且空闲，服务端就监听成功  
            server = new ServerSocket(port);  
            System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);  
            //经过无线循环监听客户端链接  
            //若是没有客户端接入，将阻塞在accept操做上。  
            while(true){  
                Socket socket = server.accept();  
                //当有新的客户端接入时，会执行下面的代码  
                //而后建立一个新的线程处理这条Socket链路  
                new Thread(new ServerHandler(socket)).start();  
            }  
        }finally{  
            //一些必要的清理工做  
            if(server != null){  
                System.out.println("服务器已关闭。");  
                server.close();  
                server = null;  
            }  
        }  
    }  
}

客户端消息处理线程ServerHandler源码：并发

package com.anxpp.io.calculator.bio;  
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStreamReader;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.Socket;  
  
import com.anxpp.io.utils.Calculator;  
/** 
 * 客户端线程 
 * [@author](https://my.oschina.net/arthor) yangtao__anxpp.com 
 * 用于处理一个客户端的Socket链路 
 */  
public class ServerHandler implements Runnable{  
    private Socket socket;  
    public ServerHandler(Socket socket) {  
        this.socket = socket;  
    }  
    [@Override](https://my.oschina.net/u/1162528)  
    public void run() {  
        BufferedReader in = null;  
        PrintWriter out = null;  
        try{  
            in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));  
            out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);  
            String expression;  
            String result;  
            while(true){  
                //经过BufferedReader读取一行  
                //若是已经读到输入流尾部，返回null,退出循环  
                //若是获得非空值，就尝试计算结果并返回  
                if((expression = in.readLine())==null) break;  
                System.out.println("服务器收到消息：" + expression);  
                try{  
                    result = Calculator.cal(expression).toString();  
                }catch(Exception e){  
                    result = "计算错误：" + e.getMessage();  
                }  
                out.println(result);  
            }  
        }catch(Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }finally{  
            //一些必要的清理工做  
            if(in != null){  
                try {  
                    in.close();  
                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                in = null;  
            }  
            if(out != null){  
                out.close();  
                out = null;  
            }  
            if(socket != null){  
                try {  
                    socket.close();  
                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                socket = null;  
            }  
        }  
    }  
}

同步阻塞式I/O建立的Client源码：dom

package com.anxpp.io.calculator.bio;  
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStreamReader;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.net.Socket;  
/** 
 * 阻塞式I/O建立的客户端 
 * [@author](https://my.oschina.net/arthor) yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public class Client {  
    //默认的端口号  
    private static int DEFAULT_SERVER_PORT = 12345;  
    private static String DEFAULT_SERVER_IP = "127.0.0.1";  
    public static void send(String expression){  
        send(DEFAULT_SERVER_PORT,expression);  
    }  
    public static void send(int port,String expression){  
        System.out.println("算术表达式为：" + expression);  
        Socket socket = null;  
        BufferedReader in = null;  
        PrintWriter out = null;  
        try{  
            socket = new Socket(DEFAULT_SERVER_IP,port);  
            in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));  
            out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);  
            out.println(expression);  
            System.out.println("___结果为：" + in.readLine());  
        }catch(Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }finally{  
            //一下必要的清理工做  
            if(in != null){  
                try {  
                    in.close();  
                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                in = null;  
            }  
            if(out != null){  
                out.close();  
                out = null;  
            }  
            if(socket != null){  
                try {  
                    socket.close();  
                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                socket = null;  
            }  
        }  
    }  
}

测试代码，为了方便在控制台看输出结果，放到同一个程序（jvm）中运行：

package com.anxpp.io.calculator.bio;  
import java.io.IOException;  
import java.util.Random;  
/** 
 * 测试方法 
 * @author yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public class Test {  
    //测试主方法  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        //运行服务器  
        new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    ServerBetter.start();  
                } catch (IOException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        }).start();  
        //避免客户端先于服务器启动前执行代码  
        Thread.sleep(100);  
        //运行客户端   
        char operators[] = {'+','-','*','/'};  
        Random random = new Random(System.currentTimeMillis());  
        new Thread(new Runnable() {  
            @SuppressWarnings("static-access")  
            @Override  
            public void run() {  
                while(true){  
                    //随机产生算术表达式  
                    String expression = random.nextInt(10)+""+operators[random.nextInt(4)]+(random.nextInt(10)+1);  
                    Client.send(expression);  
                    try {  
                        Thread.currentThread().sleep(random.nextInt(1000));  
                    } catch (InterruptedException e) {  
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                }  
            }  
        }).start();  
    }  
}

从以上代码，很容易看出，BIO主要的问题在于每当有一个新的客户端请求接入时，服务端必须建立一个新的线程来处理这条链路，在须要知足高性能、高并发的场景是无法应用的（大量建立新的线程会严重影响服务器性能，甚至罢工）。

2.伪异步I/O编程

为了改进这种一链接一线程的模型，咱们可使用线程池来管理这些线程（须要了解更多请参考前面提供的文章），实现1个或多个线程处理N个客户端的模型（可是底层仍是使用的同步阻塞I/O），一般被称为“伪异步I/O模型“。

伪异步I/O模型图：

实现很简单，咱们只须要将新建线程的地方，交给线程池管理便可，只须要改动刚刚的Server代码便可：

package com.anxpp.io.calculator.bio;  
import java.io.IOException;  
import java.net.ServerSocket;  
import java.net.Socket;  
import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
/** 
 * BIO服务端源码__伪异步I/O 
 * @author yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public final class ServerBetter {  
    //默认的端口号  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    //单例的ServerSocket  
    private static ServerSocket server;  
    //线程池 懒汉式的单例  
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(60);  
    //根据传入参数设置监听端口，若是没有参数调用如下方法并使用默认值  
    public static void start() throws IOException{  
        //使用默认值  
        start(DEFAULT_PORT);  
    }  
    //这个方法不会被大量并发访问，不太须要考虑效率，直接进行方法同步就好了  
    public synchronized static void start(int port) throws IOException{  
        if(server != null) return;  
        try{  
            //经过构造函数建立ServerSocket  
            //若是端口合法且空闲，服务端就监听成功  
            server = new ServerSocket(port);  
            System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);  
            //经过无线循环监听客户端链接  
            //若是没有客户端接入，将阻塞在accept操做上。  
            while(true){  
                Socket socket = server.accept();  
                //当有新的客户端接入时，会执行下面的代码  
                //而后建立一个新的线程处理这条Socket链路  
                executorService.execute(new ServerHandler(socket));  
            }  
        }finally{  
            //一些必要的清理工做  
            if(server != null){  
                System.out.println("服务器已关闭。");  
                server.close();  
                server = null;  
            }  
        }  
    }  
}

测试运行结果是同样的。

咱们知道，若是使用CachedThreadPool线程池（不限制线程数量，若是不清楚请参考文首提供的文章），其实除了能自动帮咱们管理线程（复用），看起来也就像是1:1的客户端：线程数模型，而使用FixedThreadPool咱们就有效的控制了线程的最大数量，保证了系统有限的资源的控制，实现了N:M的伪异步I/O模型。

可是，正由于限制了线程数量，若是发生大量并发请求，超过最大数量的线程就只能等待，直到线程池中的有空闲的线程能够被复用。而对Socket的输入流就行读取时，会一直阻塞，直到发生：

有数据可读

可用数据以及读取完毕

发生空指针或I/O异常

因此在读取数据较慢时（好比数据量大、网络传输慢等），大量并发的状况下，其余接入的消息，只能一直等待，这就是最大的弊端。

然后面即将介绍的NIO，就能解决这个难题。

二.NIO

1.JDK 1.4中的java.nio.*包中引入新的Java I/O库，其目的是提升速度。实际上，“旧”的I/O包已经使用NIO从新实现过，即便咱们不显式的使用NIO编程，也能从中受益。速度的提升在文件I/O和网络I/O中均可能会发生，但本文只讨论后者。

2.NIO咱们通常认为是New I/O（也是官方的叫法），由于它是相对于老的I/O类库新增的（其实在JDK 1.4中就已经被引入了，但这个名词还会继续用好久，即便它们在如今看来已是“旧”的了，因此也提示咱们在命名时，须要好好考虑），作了很大的改变。但民间跟多人称之为Non-block I/O，即非阻塞I/O，由于这样叫，更能体现它的特色。而下文中的NIO，不是指整个新的I/O库，而是非阻塞I/O。

NIO提供了与传统BIO模型中的Socket和ServerSocket相对应的SocketChannel和ServerSocketChannel两种不一样的套接字通道实现。

新增的着两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

阻塞模式使用就像传统中的支持同样，比较简单，可是性能和可靠性都很差；非阻塞模式正好与之相反。

对于低负载、低并发的应用程序，可使用同步阻塞I/O来提高开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用NIO的非阻塞模式来开发。

下面会先对基础知识进行介绍。

3.缓冲区 Buffer

Buffer是一个对象，包含一些要写入或者读出的数据。

在NIO库中，全部数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任什么时候候访问NIO中的数据，都是经过缓冲区进行操做。

缓冲区其实是一个数组，并提供了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息。

具体的缓存区有这些：ByteBuffe、CharBuffer、 ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。他们实现了相同的接口：Buffer。

4.通道 Channel

咱们对数据的读取和写入要经过Channel，它就像水管同样，是一个通道。通道不一样于流的地方就是通道是双向的，能够用于读、写和同时读写操做。

底层的操做系统的通道通常都是全双工的，因此全双工的Channel比流能更好的映射底层操做系统的API。

Channel主要分两大类：

SelectableChannel：用户网络读写

FileChannel：用于文件操做

后面代码会涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类。

5.多路复用器 Selector

Selector是Java NIO 编程的基础。

Selector提供选择已经就绪的任务的能力：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，若是某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，而后经过SelectionKey能够获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操做。

一个Selector能够同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll()代替传统的select实现，因此没有最大链接句柄1024/2048的限制。因此，只须要一个线程负责Selector的轮询，就能够接入成千上万的客户端。

6.NIO服务端

代码比传统的Socket编程看起来要复杂很多。

直接贴代码吧，以注释的形式给出代码说明。

NIO建立的Server源码：

package com.anxpp.io.calculator.nio;  
public class Server {  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    private static ServerHandle serverHandle;  
    public static void start(){  
        start(DEFAULT_PORT);  
    }  
    public static synchronized void start(int port){  
        if(serverHandle!=null)  
            serverHandle.stop();  
        serverHandle = new ServerHandle(port);  
        new Thread(serverHandle,"Server").start();  
    }  
    public static void main(String[] args){  
        start();  
    }  
}

ServerHandle：

package com.anxpp.io.calculator.nio;  
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.util.Iterator;  
import java.util.Set;  
  
import com.anxpp.io.utils.Calculator;  
/** 
 * NIO服务端 
 * @author yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public class ServerHandle implements Runnable{  
    private Selector selector;  
    private ServerSocketChannel serverChannel;  
    private volatile boolean started;  
    /** 
     * 构造方法 
     * @param port 指定要监听的端口号 
     */  
    public ServerHandle(int port) {  
        try{  
            //建立选择器  
            selector = Selector.open();  
            //打开监听通道  
            serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
            //若是为 true，则此通道将被置于阻塞模式；若是为 false，则此通道将被置于非阻塞模式  
            serverChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式  
            //绑定端口 backlog设为1024  
            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);  
            //监听客户端链接请求  
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
            //标记服务器已开启  
            started = true;  
            System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);  
        }catch(IOException e){  
            e.printStackTrace();  
            System.exit(1);  
        }  
    }  
    public void stop(){  
        started = false;  
    }  
    @Override  
    public void run() {  
        //循环遍历selector  
        while(started){  
            try{  
                //不管是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次  
                selector.select(1000);  
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.  
//              selector.select();  
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();  
                SelectionKey key = null;  
                while(it.hasNext()){  
                    key = it.next();  
                    it.remove();  
                    try{  
                        handleInput(key);  
                    }catch(Exception e){  
                        if(key != null){  
                            key.cancel();  
                            if(key.channel() != null){  
                                key.channel().close();  
                            }  
                        }  
                    }  
                }  
            }catch(Throwable t){  
                t.printStackTrace();  
            }  
        }  
        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源  
        if(selector != null)  
            try{  
                selector.close();  
            }catch (Exception e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
    }  
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{  
        if(key.isValid()){  
            //处理新接入的请求消息  
            if(key.isAcceptable()){  
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();  
                //经过ServerSocketChannel的accept建立SocketChannel实例  
                //完成该操做意味着完成TCP三次握手，TCP物理链路正式创建  
                SocketChannel sc = ssc.accept();  
                //设置为非阻塞的  
                sc.configureBlocking(false);  
                //注册为读  
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
            }  
            //读消息  
            if(key.isReadable()){  
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();  
                //建立ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区  
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
                //读取请求码流，返回读取到的字节数  
                int readBytes = sc.read(buffer);  
                //读取到字节，对字节进行编解码  
                if(readBytes>0){  
                    //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操做  
                    buffer.flip();  
                    //根据缓冲区可读字节数建立字节数组  
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];  
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中  
                    buffer.get(bytes);  
                    String expression = new String(bytes,"UTF-8");  
                    System.out.println("服务器收到消息：" + expression);  
                    //处理数据  
                    String result = null;  
                    try{  
                        result = Calculator.cal(expression).toString();  
                    }catch(Exception e){  
                        result = "计算错误：" + e.getMessage();  
                    }  
                    //发送应答消息  
                    doWrite(sc,result);  
                }  
                //没有读取到字节 忽略  
//              else if(readBytes==0);  
                //链路已经关闭，释放资源  
                else if(readBytes<0){  
                    key.cancel();  
                    sc.close();  
                }  
            }  
        }  
    }  
    //异步发送应答消息  
    private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws IOException{  
        //将消息编码为字节数组  
        byte[] bytes = response.getBytes();  
        //根据数组容量建立ByteBuffer  
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
        //将字节数组复制到缓冲区  
        writeBuffer.put(bytes);  
        //flip操做  
        writeBuffer.flip();  
        //发送缓冲区的字节数组  
        channel.write(writeBuffer);  
        //****此处不含处理“写半包”的代码  
    }  
}

能够看到，建立NIO服务端的主要步骤以下：

1.打开ServerSocketChannel，监听客户端链接
        2.绑定监听端口，设置链接为非阻塞模式
        3.建立Reactor线程，建立多路复用器并启动线程
        4.将ServerSocketChannel注册到Reactor线程中的5.Selector上，监听ACCEPT事件
        6.Selector轮询准备就绪的key
        7.Selector监听到新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，简历物理链路
        8.设置客户端链路为非阻塞模式
        9.将新接入的客户端链接注册到Reactor线程的Selector上，监听读操做，读取客户端发送的网络消息
        10.异步读取客户端消息到缓冲区
        11.对Buffer编解码，处理半包消息，将解码成功的消息封装成Task
        12.将应答消息编码为Buffer，调用SocketChannel的write将消息异步发送给客户端

由于应答消息的发送，SocketChannel也是异步非阻塞的，因此不能保证一次能吧须要发送的数据发送完，此时就会出现写半包的问题。咱们须要注册写操做，不断轮询Selector将没有发送完的消息发送完毕，而后经过Buffer的hasRemain()方法判断消息是否发送完成。

7.NIO客户端

仍是直接上代码吧，过程也不须要太多解释了，跟服务端代码有点相似。

Client：

package com.anxpp.io.calculator.nio;  
public class Client {  
    private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    private static ClientHandle clientHandle;  
    public static void start(){  
        start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);  
    }  
    public static synchronized void start(String ip,int port){  
        if(clientHandle!=null)  
            clientHandle.stop();  
        clientHandle = new ClientHandle(ip,port);  
        new Thread(clientHandle,"Server").start();  
    }  
    //向服务器发送消息  
    public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{  
        if(msg.equals("q")) return false;  
        clientHandle.sendMsg(msg);  
        return true;  
    }  
    public static void main(String[] args){  
        start();  
    }  
}

ClientHandle：

package com.anxpp.io.calculator.nio;  
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;  
import java.util.Set;  
/** 
 * NIO客户端 
 * @author yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public class ClientHandle implements Runnable{  
    private String host;  
    private int port;  
    private Selector selector;  
    private SocketChannel socketChannel;  
    private volatile boolean started;  
  
    public ClientHandle(String ip,int port) {  
        this.host = ip;  
        this.port = port;  
        try{  
            //建立选择器  
            selector = Selector.open();  
            //打开监听通道  
            socketChannel = SocketChannel.open();  
            //若是为 true，则此通道将被置于阻塞模式；若是为 false，则此通道将被置于非阻塞模式  
            socketChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式  
            started = true;  
        }catch(IOException e){  
            e.printStackTrace();  
            System.exit(1);  
        }  
    }  
    public void stop(){  
        started = false;  
    }  
    @Override  
    public void run() {  
        try{  
            doConnect();  
        }catch(IOException e){  
            e.printStackTrace();  
            System.exit(1);  
        }  
        //循环遍历selector  
        while(started){  
            try{  
                //不管是否有读写事件发生，selector每隔1s被唤醒一次  
                selector.select(1000);  
                //阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.  
//              selector.select();  
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();  
                Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();  
                SelectionKey key = null;  
                while(it.hasNext()){  
                    key = it.next();  
                    it.remove();  
                    try{  
                        handleInput(key);  
                    }catch(Exception e){  
                        if(key != null){  
                            key.cancel();  
                            if(key.channel() != null){  
                                key.channel().close();  
                            }  
                        }  
                    }  
                }  
            }catch(Exception e){  
                e.printStackTrace();  
                System.exit(1);  
            }  
        }  
        //selector关闭后会自动释放里面管理的资源  
        if(selector != null)  
            try{  
                selector.close();  
            }catch (Exception e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
    }  
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{  
        if(key.isValid()){  
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();  
            if(key.isConnectable()){  
                if(sc.finishConnect());  
                else System.exit(1);  
            }  
            //读消息  
            if(key.isReadable()){  
                //建立ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区  
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
                //读取请求码流，返回读取到的字节数  
                int readBytes = sc.read(buffer);  
                //读取到字节，对字节进行编解码  
                if(readBytes>0){  
                    //将缓冲区当前的limit设置为position=0，用于后续对缓冲区的读取操做  
                    buffer.flip();  
                    //根据缓冲区可读字节数建立字节数组  
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];  
                    //将缓冲区可读字节数组复制到新建的数组中  
                    buffer.get(bytes);  
                    String result = new String(bytes,"UTF-8");  
                    System.out.println("客户端收到消息：" + result);  
                }  
                //没有读取到字节 忽略  
//              else if(readBytes==0);  
                //链路已经关闭，释放资源  
                else if(readBytes<0){  
                    key.cancel();  
                    sc.close();  
                }  
            }  
        }  
    }  
    //异步发送消息  
    private void doWrite(SocketChannel channel,String request) throws IOException{  
        //将消息编码为字节数组  
        byte[] bytes = request.getBytes();  
        //根据数组容量建立ByteBuffer  
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
        //将字节数组复制到缓冲区  
        writeBuffer.put(bytes);  
        //flip操做  
        writeBuffer.flip();  
        //发送缓冲区的字节数组  
        channel.write(writeBuffer);  
        //****此处不含处理“写半包”的代码  
    }  
    private void doConnect() throws IOException{  
        if(socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port)));  
        else socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
    }  
    public void sendMsg(String msg) throws Exception{  
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
        doWrite(socketChannel, msg);  
    }  
}

三.AIO编程

NIO 2.0引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

异步的套接字通道时真正的异步非阻塞I/O，对应于UNIX网络编程中的事件驱动I/O（AIO）。他不须要过多的Selector对注册的通道进行轮询便可实现异步读写，从而简化了NIO的编程模型。

直接上代码吧。

Server端代码

package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
/** 
 * AIO服务端 
 * @author yangtao__anxpp.com 
 * @version 1.0 
 */  
public class Server {  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    private static AsyncServerHandler serverHandle;  
    public volatile static long clientCount = 0;  
    public static void start(){  
        start(DEFAULT_PORT);  
    }  
    public static synchronized void start(int port){  
        if(serverHandle!=null)  
            return;  
        serverHandle = new AsyncServerHandler(port);  
        new Thread(serverHandle,"Server").start();  
    }  
    public static void main(String[] args){  
        Server.start();  
    }  
}

AsyncServerHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
import java.io.IOException;  
import java.net.InetSocketAddress;  
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
public class AsyncServerHandler implements Runnable {  
    public CountDownLatch latch;  
    public AsynchronousServerSocketChannel channel;  
    public AsyncServerHandler(int port) {  
        try {  
            //建立服务端通道  
            channel = AsynchronousServerSocketChannel.open();  
            //绑定端口  
            channel.bind(new InetSocketAddress(port));  
            System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    @Override  
    public void run() {  
        //CountDownLatch初始化  
        //它的做用：在完成一组正在执行的操做以前，容许当前的现场一直阻塞  
        //此处，让现场在此阻塞，防止服务端执行完成后退出  
        //也可使用while(true)+sleep   
        //生成环境就不须要担忧这个问题，觉得服务端是不会退出的  
        latch = new CountDownLatch(1);  
        //用于接收客户端的链接  
        channel.accept(this,new AcceptHandler());  
        try {  
            latch.await();  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
}

AcceptHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
//做为handler接收客户端链接  
public class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsyncServerHandler> {  
    @Override  
    public void completed(AsynchronousSocketChannel channel,AsyncServerHandler serverHandler) {  
        //继续接受其余客户端的请求  
        Server.clientCount++;  
        System.out.println("链接的客户端数：" + Server.clientCount);  
        serverHandler.channel.accept(serverHandler, this);  
        //建立新的Buffer  
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
        //异步读  第三个参数为接收消息回调的业务Handler  
        channel.read(buffer, buffer, new ReadHandler(channel));  
    }  
    @Override  
    public void failed(Throwable exc, AsyncServerHandler serverHandler) {  
        exc.printStackTrace();  
        serverHandler.latch.countDown();  
    }  
}

ReadHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
import java.io.IOException;  
import java.io.UnsupportedEncodingException;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
import com.anxpp.io.utils.Calculator;  
public class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {  
    //用于读取半包消息和发送应答  
    private AsynchronousSocketChannel channel;  
    public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel channel) {  
            this.channel = channel;  
    }  
    //读取到消息后的处理  
    @Override  
    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {  
        //flip操做  
        attachment.flip();  
        //根据  
        byte[] message = new byte[attachment.remaining()];  
        attachment.get(message);  
        try {  
            String expression = new String(message, "UTF-8");  
            System.out.println("服务器收到消息: " + expression);  
            String calrResult = null;  
            try{  
                calrResult = Calculator.cal(expression).toString();  
            }catch(Exception e){  
                calrResult = "计算错误：" + e.getMessage();  
            }  
            //向客户端发送消息  
            doWrite(calrResult);  
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    //发送消息  
    private void doWrite(String result) {  
        byte[] bytes = result.getBytes();  
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
        writeBuffer.put(bytes);  
        writeBuffer.flip();  
        //异步写数据 参数与前面的read同样  
        channel.write(writeBuffer, writeBuffer,new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {  
            @Override  
            public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {  
                //若是没有发送完，就继续发送直到完成  
                if (buffer.hasRemaining())  
                    channel.write(buffer, buffer, this);  
                else{  
                    //建立新的Buffer  
                    ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
                    //异步读  第三个参数为接收消息回调的业务Handler  
                    channel.read(readBuffer, readBuffer, new ReadHandler(channel));  
                }  
            }  
            @Override  
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
                try {  
                    channel.close();  
                } catch (IOException e) {  
                }  
            }  
        });  
    }  
    @Override  
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
        try {  
            this.channel.close();  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
}

OK，这样就已经完成了，其实提及来也简单，虽然代码感受不少，可是API比NIO的使用起来真的简单多了，主要就是监听、读、写等各类CompletionHandler。此处本应有一个WriteHandler的，确实，咱们在ReadHandler中，以一个匿名内部类实现了它。

下面看客户端代码。

Client：

package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
import java.util.Scanner;  
public class Client {  
    private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";  
    private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
    private static AsyncClientHandler clientHandle;  
    public static void start(){  
        start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);  
    }  
    public static synchronized void start(String ip,int port){  
        if(clientHandle!=null)  
            return;  
        clientHandle = new AsyncClientHandler(ip,port);  
        new Thread(clientHandle,"Client").start();  
    }  
    //向服务器发送消息  
    public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{  
        if(msg.equals("q")) return false;  
        clientHandle.sendMsg(msg);  
        return true;  
    }  
    @SuppressWarnings("resource")  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Client.start();  
        System.out.println("请输入请求消息：");  
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);  
        while(Client.sendMsg(scanner.nextLine()));  
    }  
}

AsyncClientHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
import java.io.IOException;  
import java.net.InetSocketAddress;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
public class AsyncClientHandler implements CompletionHandler<Void, AsyncClientHandler>, Runnable {  
    private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
    private String host;  
    private int port;  
    private CountDownLatch latch;  
    public AsyncClientHandler(String host, int port) {  
        this.host = host;  
        this.port = port;  
        try {  
            //建立异步的客户端通道  
            clientChannel = AsynchronousSocketChannel.open();  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    @Override  
    public void run() {  
        //建立CountDownLatch等待  
        latch = new CountDownLatch(1);  
        //发起异步链接操做，回调参数就是这个类自己，若是链接成功会回调completed方法  
        clientChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port), this, this);  
        try {  
            latch.await();  
        } catch (InterruptedException e1) {  
            e1.printStackTrace();  
        }  
        try {  
            clientChannel.close();  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    //链接服务器成功  
    //意味着TCP三次握手完成  
    @Override  
    public void completed(Void result, AsyncClientHandler attachment) {  
        System.out.println("客户端成功链接到服务器...");  
    }  
    //链接服务器失败  
    @Override  
    public void failed(Throwable exc, AsyncClientHandler attachment) {  
        System.err.println("链接服务器失败...");  
        exc.printStackTrace();  
        try {  
            clientChannel.close();  
            latch.countDown();  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    //向服务器发送消息  
    public void sendMsg(String msg){  
        byte[] req = msg.getBytes();  
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);  
        writeBuffer.put(req);  
        writeBuffer.flip();  
        //异步写  
        clientChannel.write(writeBuffer, writeBuffer,new WriteHandler(clientChannel, latch));  
    }  
}

WriteHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
import java.io.IOException;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
public class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {  
    private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
    private CountDownLatch latch;  
    public WriteHandler(AsynchronousSocketChannel clientChannel,CountDownLatch latch) {  
        this.clientChannel = clientChannel;  
        this.latch = latch;  
    }  
    @Override  
    public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {  
        //完成所有数据的写入  
        if (buffer.hasRemaining()) {  
            clientChannel.write(buffer, buffer, this);  
        }  
        else {  
            //读取数据  
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
            clientChannel.read(readBuffer,readBuffer,new ReadHandler(clientChannel, latch));  
        }  
    }  
    @Override  
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
        System.err.println("数据发送失败...");  
        try {  
            clientChannel.close();  
            latch.countDown();  
        } catch (IOException e) {  
        }  
    }  
}

ReadHandler：

package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
import java.io.IOException;  
import java.io.UnsupportedEncodingException;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
public class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {  
    private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
    private CountDownLatch latch;  
    public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel clientChannel,CountDownLatch latch) {  
        this.clientChannel = clientChannel;  
        this.latch = latch;  
    }  
    @Override  
    public void completed(Integer result,ByteBuffer buffer) {  
        buffer.flip();  
        byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];  
        buffer.get(bytes);  
        String body;  
        try {  
            body = new String(bytes,"UTF-8");  
            System.out.println("客户端收到结果:"+ body);  
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
    @Override  
    public void failed(Throwable exc,ByteBuffer attachment) {  
        System.err.println("数据读取失败...");  
        try {  
            clientChannel.close();  
            latch.countDown();  
        } catch (IOException e) {  
        }  
    }  
}

咱们能够在控制台输入咱们须要计算的算数字符串，服务器就会返回结果，固然，咱们也能够运行大量的客户端，都是没有问题的，觉得此处设计为单例客户端，因此也就没有演示大量客户端并发。

读者能够本身修改Client类，而后开辟大量线程，并使用构造方法建立不少的客户端测试。

四.各类I/O的对比