分享
 
 
 

Java网络服务器编程(NIO版)

王朝java/jsp·作者佚名  2006-01-31
窄屏简体版  字體: |||超大  

从Java 1.4开始提供的NIO API常用于开发高性能网络服务器,本文演示了如何用这个API开发一个TCP Echo Server。

Java网络服务器编程 一文演示了如何使用Java的Socket API编写一个简单的TCP Echo Server。其阻塞式IO的处理方式虽然简单,但每个客户端都需要一个单独的Thread来处理,当服务器需要同时处理大量客户端时,这种做法不再可行。使用NIO API可以让一个或有限的几个Thread同时处理连接到服务器上的所有客户端。(关于NIO API的一些介绍,可以在Java NIO API详解一文中找到。)

NIO API允许一个线程通过Selector对象同时监控多个SelectableChannel来处理多路IO,NIO应用程序一般按下图所示工作:

Figure 1

如Figure 1 所示,Client一直在循环地进行select操作,每次select()返回以后,通过selectedKeys()可以得到需要处理的SelectableChannel并对其一一处理。

这样做虽然简单但也有个问题,当有不同类型的SelectableChannel需要做不同的IO处理时,在图中Client的代码就需要判断channel的类型然后再作相应的操作,这往往意味着一连串的if else。更糟糕的是,每增加一种新的channel,不但需要增加相应的处理代码,还需要对这一串if else进行维护。(在本文的这个例子中,我们有ServerSocketChannel和SocketChannel这两种channel需要分别被处理。)

如果考虑将channel及其需要的IO处理进行封装,抽象出一个统一的接口,就可以解决这一问题。在Listing 1中的NioSession就是这个接口。

NioSession的channel()方法返回其封装的SelectableChannel对象,interestOps()返回用于这个channel注册的interestOps。registered()是当SelectableChannel被注册后调用的回调函数,通过这个回调函数,NioSession可以得到channel注册后的SelectionKey。process()函数则是NioSession接口的核心,这个方法抽象了封装的SelectableChannel所需的IO处理逻辑。

Listing 1:

public interface NioSession {

public SelectableChannel channel();

public int interestOps();

public void registered(SelectionKey key);

public void process();

}

和NioSession一起工作的是NioWorker这个类(Listing 2),它是NioSession的调用者,封装了一个Selector对象和Figure 1中循环select操作的逻辑。理解这个类可以帮助我们了解该如何使用NioSession这个接口。

NioWorker实现了Runnable接口,循环select操作的逻辑就在run()方法中。在NioWorker – NioSession这个框架中,NioSession在channel注册的时候会被作为attachment送入register函数,这样,在每次select()操作的循环中,对于selectedKeys()中的每一个SelectionKey,我们都可以通过attachment拿到其相对应的NioSession然后调用其process()方法。

每次select()循环还有一个任务,就是将通过add()方法加入到这个NioWorker的NioSession注册到Selector上。在Listing 2的代码中可以看出,NioSession中的channel()被取出并注册在Selector上,注册所需的interestOps从NioSession中取出,NioSession本身则作为attachment送入register()函数。注册成功后,NioSession的registered()回调函数会被调用。

NioWorker的add()方法的作用是将一个NioSession加入到该NioWorker中,并wakeup当前的select操作,这样在下一次的select()调用之前,这个NioSession会被注册。stop()方法则是让一个正在run()的NioWorker停止。closeAllChannels()会关闭当前注册的所有channel,这个方法可在NioWorker不再使用时用来释放IO资源。

Listing 2:

public class NioWorker implements Runnable {

public NioWorker(Selector sel) {

_sel = sel;

_added = new HashSet();

}

public void run() {

try {

try {

while (_run) {

_sel.select();

Set selected = _sel.selectedKeys();

for (Iterator itr = selected.iterator(); itr.hasNext();) {

SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next();

NioSession s = (NioSession) key.attachment();

s.process();

itr.remove();

}

synchronized (_added) {

for (Iterator itr = _added.iterator(); itr.hasNext();) {

NioSession s = (NioSession) itr.next();

SelectionKey key = s.channel().register(_sel, s.interestOps(), s);

s.registered(key);

itr.remove();

}

}

}

} finally {

_sel.close();

}

} catch (IOException ex) {

throw new Error(ex);

}

}

public void add(NioSession s) {

synchronized (_added) {

_added.add(s);

}

_sel.wakeup();

}

public synchronized void stop() {

_run = false;

_sel.wakeup();

}

public void closeAllChannels() {

for (Iterator itr = _sel.keys().iterator(); itr.hasNext();) {

SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next();

try {

key.channel().close();

} catch (IOException ex) {}

}

}

protected Selector _sel = null;

protected Collection _added = null;

protected volatile boolean _run = true;

}

在Echo Server这个例子中,我们需要一个ServerSocketChannel来接受新的TCP连接,对于每个TCP连接,我们还需要一个SocketChannel来处理这个TCP连接上的IO操作。把这两种channel和上面的NioWorker – NioSession结构整合在一起,可以得到NioServerSession和NioEchoSession这两个类,它们分别封装了ServerSocketChannel和SocketChannel及其对应的IO操作。下面这个UML类图描述了这4个类的关系:

Figure 2

可以看到NioWorker和NioSession对新加入的两个类没有任何依赖性,NioServerSession和NioEchoSession通过实现NioSession这个接口为系统加入了新的功能。这样的一个体系架构符合了Open-Close原则,新的功能可以通过实现NioSession被加入而无需对原有的模块进行修改,这体现了面向对象设计的强大威力。

NioServerSession的实现(Listing 3)相对比较简单,其封装了一个ServerSocketChannel以及从这个channel上接受新的TCP连接的逻辑。NioServerSession还需要一个NioWorker的引用,这样每接受一个新的TCP连接,NioServerSession就为其创建一个NioEchoSession的对象,并将这个对象加入到NioWorker中。

Listing 3:

public class NioServerSession implements NioSession {

public NioServerSession(ServerSocketChannel channel, NioWorker worker) {

_channel = channel;

_worker = worker;

}

public void registered(SelectionKey key) {}

public void process() {

try {

SocketChannel c = _channel.accept();

if (c != null) {

c.configureBlocking(false);

NioEchoSession s = new NioEchoSession(c);

_worker.add(s);

}

} catch (IOException ex) {

throw new Error(ex);

}

}

public SelectableChannel channel() {

return _channel;

}

public int interestOps(){

return SelectionKey.OP_ACCEPT;

}

protected ServerSocketChannel _channel;

protected NioWorker _worker;

}

NioEchoSession的行为要复杂一些,NioEchoSession会先从TCP连接中读取数据,再将这些数据用同一个连接写回去,并重复这个步骤直到客户端把连接关闭为止。我们可以把“Reading”和“Writing”看作NioEchoSession的两个状态,这样可以用一个有限状态机来描述它的行为,如下图所示:

Figure 3

接下来的工作就是如何实现这个有限状态机了。在这个例子中,我们使用State模式来实现它。下面这张UML类图描述了NioEchoSession的设计细节。

Figure 4

NioEchoSession所处的状态由EchoState这个抽象类来表现,其两个子类分别对应了“Reading”和“Writing”这两个状态。NioEchoSession会将process()和interestOps()这两个方法delegate给EchoState来处理,这样,当NioEchoSession处于不同的状态时,就会有不同的行为。

Listing 4是EchoState的实现。EchoState定义了process()和interestOps()这两个抽象的方法来让子类实现。NioEchoSession中的process()方法会被delegate到其当前EchoState的process()方法,NioEchoSession本身也会作为一个描述context的参数被送入EchoState的process()方法中。EchoState定义的interestOps()方法则会在NioEchoSession注册和转变State的时候被用到。

EchoState还定义了两个静态的方法来返回预先创建好的ReadState和WriteState,这样做的好处是可以避免在NioEchoSession转换state的时候创建一些不必要的对象从而影响性能。然而,这样做要求state类必须是无状态的,状态需要保存在context类,也就是NioEchoSession中。

Listing 4:

public abstract class EchoState {

public abstract void process(NioEchoSession s) throws IOException;

public abstract int interestOps();

public static EchoState readState() {

return _read;

}

public static EchoState writeState() {

return _write;

}

protected static EchoState _read = new ReadState();

protected static EchoState _write = new WriteState();

}

Listing 5是NioEchoSession的实现。NioEchoSession包含有一个SocketChannel,这个channel注册后得到的SelectionKey,一个用于存放数据的ByteBuffer和一个记录当前state的EchoState对象。在初始化时,EchoState被初始化为一个ReadState。NioEchoSession把process()方法和interestOps()方法都delegate到当前的EchoState中。其setState()方法用于切换当前state,在切换state后,NioEchoSession会通过SelectionKey更新注册的interestOps。close()方法用于关闭这个NioEchoSession对象。

Listing 5:

public class NioEchoSession implements NioSession {

public NioEchoSession(SocketChannel c) {

_channel = c;

_buf = ByteBuffer.allocate(128);

_state = EchoState.readState();

}

public void registered(SelectionKey key) {

_key = key;

}

public void process() {

try {

_state.process(this);

} catch (IOException ex) {

close();

throw new Error(ex);

}

}

public SelectableChannel channel() {

return _channel;

}

public int interestOps() {

return _state.interestOps();

}

public void setState(EchoState state) {

_state = state;

_key.interestOps(interestOps());

}

public void close() {

try {

_channel.close();

} catch (IOException ex) {

throw new Error(ex);

}

}

protected SocketChannel _channel = null;

protected SelectionKey _key;

protected ByteBuffer _buf = null;

protected EchoState _state = null;

}

Listing 6和Listing 7分别是ReadState和WriteState的实现。ReadState在process()中会先从NioEchoSession的channel中读取数据,如果未能读到数据,NioEchoSession会继续留在ReadState;如果读取出错,NioEchoSession会被关闭;如果读取成功,NioEchoSession会被切换到WriteState。WriteState则负责将NioEchoSession中已经读取的数据写回到channel中,全部写完后,NioEchoSession会被切换回ReadState。

Listing 6:

public class ReadState extends EchoState {

public void process(NioEchoSession s)

throws IOException

{

SocketChannel channel = s._channel;

ByteBuffer buf = s._buf;

int count = channel.read(buf);

if (count == 0) {

return;

}

if (count == -1) {

s.close();

return;

}

buf.flip();

s.setState(EchoState.writeState());

}

public int interestOps() {

return SelectionKey.OP_READ;

}

}

Listing 7:

public class WriteState extends EchoState {

public void process(NioEchoSession s)

throws IOException

{

SocketChannel channel = s._channel;

ByteBuffer buf = s._buf;

channel.write(buf);

if (buf.remaining() == 0) {

buf.clear();

s.setState(EchoState.readState());

}

}

public int interestOps() {

return SelectionKey.OP_WRITE;

}

}

NioEchoServer(Listing 8)被用来启动和关闭一个TCP Echo Server,这个类实现了Runnable接口,调用其run()方法就启动了Echo Server。其shutdown()方法被用来关闭这个Echo Server,注意shutdown()和run()的finally block中的同步代码确保了只有当Echo Server被关闭后,shutdown()方法才会返回。

Listing 8:

public class NioEchoServer implements Runnable {

public void run() {

try {

ServerSocketChannel serv = ServerSocketChannel.open();

try {

serv.socket().bind(new InetSocketAddress(7));

serv.configureBlocking(false);

_worker = new NioWorker(Selector.open());

NioServerSession s = new NioServerSession(serv, _worker);

_worker.add(s);

_worker.run();

} finally {

_worker.closeAllChannels();

synchronized (this) {

notify();

}

}

} catch (IOException ex) {

throw new Error(ex);

}

}

public synchronized void shutdown() {

_worker.stop();

try {

wait();

} catch (InterruptedException ex) {

throw new Error(ex);

}

}

protected NioWorker _worker = null;

}

最后,通过一个简单的main()函数(Listing 9),我们就可以运行这个Echo Server了。

Listing 9:

public static void main(String [] args) {

new NioEchoServer().run();

}

我们可以通过telnet程序来检验这个程序的运行状况:

1. 打开一个命令行,输入 telnet localhost 7 来运行一个telnet程序并连接到Echo Server上。

2. 在telnet程序中输入字符,可以看到输入的字符被显示在屏幕上。(这是因为Echo Server将收到的字符写回到客户端)

3. 多打开几个telnet程序进行测试,可以看到Echo Server能通过NIO API用一个Thread服务多个客户端。

作者:DaiJiaLin

mailto:woodydai@gmail.com

http://blog.csdn.net/DaiJiaLin

 
 
 
免责声明:本文为网络用户发布,其观点仅代表作者个人观点,与本站无关,本站仅提供信息存储服务。文中陈述内容未经本站证实,其真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。
2023年上半年GDP全球前十五强
 百态   2023-10-24
美众议院议长启动对拜登的弹劾调查
 百态   2023-09-13
上海、济南、武汉等多地出现不明坠落物
 探索   2023-09-06
印度或要将国名改为“巴拉特”
 百态   2023-09-06
男子为女友送行,买票不登机被捕
 百态   2023-08-20
手机地震预警功能怎么开?
 干货   2023-08-06
女子4年卖2套房花700多万做美容:不但没变美脸,面部还出现变形
 百态   2023-08-04
住户一楼被水淹 还冲来8头猪
 百态   2023-07-31
女子体内爬出大量瓜子状活虫
 百态   2023-07-25
地球连续35年收到神秘规律性信号,网友:不要回答!
 探索   2023-07-21
全球镓价格本周大涨27%
 探索   2023-07-09
钱都流向了那些不缺钱的人,苦都留给了能吃苦的人
 探索   2023-07-02
倩女手游刀客魅者强控制(强混乱强眩晕强睡眠)和对应控制抗性的关系
 百态   2020-08-20
美国5月9日最新疫情:美国确诊人数突破131万
 百态   2020-05-09
荷兰政府宣布将集体辞职
 干货   2020-04-30
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案逍遥观:鹏程万里
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案神机营:射石饮羽
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案昆仑山:拔刀相助
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案天工阁:鬼斧神工
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案丝路古道:单枪匹马
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:与虎谋皮
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:李代桃僵
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案镇郊荒野:指鹿为马
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案金陵:小鸟依人
 干货   2019-11-12
倩女幽魂手游师徒任务情义春秋猜成语答案金陵:千金买邻
 干货   2019-11-12
 
推荐阅读
 
 
 
>>返回首頁<<
 
靜靜地坐在廢墟上,四周的荒凉一望無際,忽然覺得,淒涼也很美
© 2005- 王朝網路 版權所有