从零构建netty--一步步构建NIO

程序员训练生

自制nio

通过上篇socke基础,我们回顾了下socket的用法。上篇内容很简单,服务端也只是接收了一个客户端的连接,接下来我们就升级下我们的demo,使其像一个真正的服务器。

首先我们允许服务端接收多个客户端的连接。修改OioServer如下

代码2-1

public class OioServer {

    private ServerSocket serverSocket;

    public void start() {
        Socket socket = null;
        try {
            openServer(8081);
            if (Objects.isNull(serverSocket)) {
                return;
            }
           while (true) {
                socket = listenAccept();
                handleSocket(socket);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            SocketUtils.closeServerSocketSafely(serverSocket);
            SocketUtils.closeSocketSafely(socket);
        }
    }

    private void handleSocket(Socket socket) {
        new Thread(() -> {
            while (!socket.isClosed()) {
                String msg = SocketUtils.read(socket);
                SocketUtils.write(socket, " I get you" + msg);
            }
        }).start();
    }

    public void openServer(int port) throws IOException {
        // 1 创建ServerSocket
        serverSocket = new ServerSocket();
        // 2 绑定端口
        SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(port);
        serverSocket.bind(socketAddress);
        // 3 accept客户端
    }

    public Socket listenAccept() throws IOException {
        return serverSocket.accept();
    }
}

当调用start()方法后,我们服务器就开始监听8081接口了。然后每次一个客户端连接进来,我们就会得到一个socket,然后我们创建一个线程去处理这个socket。

为什么要创建新的线程?因为socket读写都是阻塞的,如果不启动新线程,那主线程就会被阻塞。这个时候,有新的客户端连接进来将不会被处理。但是,我们为每个socket创建一个线程,这样是有代价的,并且我们服务器是不可能创建无数个线程的。固我们使用为每个socket创建一个线程这种方法在高并发的情况下显然是不可行的。那么有什么方法改进吗?答案是肯定的。现在java有了nio,但是我现在不急于把这个王炸展示出来,让我们一步步靠近它,并揭开它的神秘面纱。

现在我们知道了为每个socket创建一个线程是因为,socket的操作(读或写)是阻塞的,那我们不让它阻塞不就可以了?有办法吗?有。对于读,我们可以使用inputStream.available();来判断一下,是否可读,不可读我们就不调用阻塞方法 inputStream.read(bytes)。于是我们再SocketUtils中天加一个方法

代码2-2

/**
  * 从socket中读数据
*/
public static ReadResult readWithNoBlocking(Socket socket) {
    try {
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len;
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        if (inputStream.available() <= 0) {
            return ReadResult.unReadableResult();
        }
        while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) {
            sb.append(new String(bytes, 0, len, "UTF-8"));
            if (inputStream.available() <= 0) {
                return ReadResult.readableResult(sb.toString());
            }
        }
        return ReadResult.readableResult(sb.toString());
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        return ReadResult.unReadableResult();
    }
}

然后修改OioServer,

代码2-4

public class OioServer {

    private ServerSocket serverSocket;
    private volatile List<Socket> socketList = new ArrayList<>();
    ...
    public void start() {
        Socket socket = null;
        try {
            openServer(8081);
            // 开启处理socket连接的线程
            startChildHandler();
            // 主线程监听连接
            while (true) {
                Socket socket = listenAccept();
                handleSocket(socket);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            SocketUtils.closeServerSocketSafely(serverSocket);
            SocketUtils.closeSocketSafely(socket);
        }
    }
     // 添加socket到socketList中
    private void handleSocket(Socket socket) {
        socketList.add(socket);
    }
    // 处理所有socket
    private void startChildHandler() {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                for (Socket socketToDeal : socketList) {
                    ReadResult readResult = SocketUtils.readWithNoBlocking(socketToDeal);
                    if (readResult.readable()) {
                        System.out.println("收到客户端消息" + socketToDeal.getInetAddress().toString() + " " + readResult.result());
                        SocketUtils.write(socketToDeal, "Get u:" + readResult.result());
                    }
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
    
        
    

首先我们修改了handleSocket方法,是新建的socket添加到socketList中,因为我们有了SocketUtils.readWithNoBlocking方法,读操作再也不会阻塞住线程了,这样我们就可以在循环中不断坚持所有的socket是否有消息发过来,并处理。

虽然上述代码健壮性有待考证,但是我们确实得到了一个只要一个线程就可以处理所有socket的服务器模型。也可以说,这是简易版的nio服务器。

更加通用化

现在我们已经有一个nio 的server了,但是,完全是没有章法的编写的,如果要增加功能,或者定制化一些东西,那必须要修改OioServer,这违反了开闭原则。因此我们需要提取一些通用逻辑,将逻辑的处理交给使用方,下面是以可读为例。

代码2-5

public class NioServer {

    private ServerSocket serverSocket;
    private volatile List<SocketContext> socketList = new ArrayList<>();
    private volatile List<SocketContext> statusChangedContext = new ArrayList<>();

    public void start(int port) {
        // 监听端口线程
        new Thread(() ->{
            Socket socket = null;
            try {
                openServer(port);
                startChildHandler();
                while (true) {
                    socket = listenAccept();
                    handleSocket(socket);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                SocketUtils.closeServerSocketSafely(serverSocket);
                SocketUtils.closeSocketSafely(socket);
            }
        }).start();

    }

    // 监听所有socket
    private void startChildHandler() {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                for (SocketContext socketToDeal : socketList) {
                    ReadResult readResult = SocketUtils.readWithNoBlocking(socketToDeal.getSocket());
                    if (readResult.readable()) {
                        // 如果socket可读,将其加入到statusChangedContext中,并唤醒调用线程
                        socketToDeal.setStatus(SocketContext.STATUS_READABLE);
                        socketToDeal.setMsg(readResult.result());
                        statusChangedContext.add(socketToDeal);
                        synchronized (statusChangedContext) {
                            statusChangedContext.notifyAll();
                        }
                    }
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

    private void handleSocket(Socket socket) {
        SocketContext socketContext = new SocketContext();
        socketContext.setSocket(socket);
        socketList.add(socketContext);
    }

    private void openServer(int port) throws IOException {
        // 1 创建ServerSocket
        serverSocket = new ServerSocket();
        // 2 绑定端口
        SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(port);
        serverSocket.bind(socketAddress);
        // 3 accept客户端
    }

    private Socket listenAccept() throws IOException {
        return serverSocket.accept();
    }

    public List<SocketContext> getStatusChangedContext() {
        if (statusChangedContext.size() == 0) {
            try {
                // 当statusChangedContext为空,也就是没有事件要处理的时候,我们挂起调用方线程,这样可以节约资源
                synchronized (statusChangedContext) {
                    statusChangedContext.wait();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return statusChangedContext;
    }

    public static class SocketContext {

        public static final int STATUS_READABLE = 1;
        private Socket socket;
        private int status;
        private String msg;

        public Socket getSocket() {
            return socket;
        }

        public void setSocket(Socket socket) {
            this.socket = socket;
        }

        public int getStatus() {
            return status;
        }

        public void setStatus(int status) {
            this.status = status;
        }

        public String read() {
            return msg;
        }

        public void setMsg(String msg) {
            this.msg = msg;
        }

        public void write(String msg) {
            SocketUtils.write(this.socket, msg);
        }
    }
}

然后我们就可以这样使用它了

代码2-6

public class NioServerTest {

    @Test
    public void test() {
        NioSocket server = new NioSocket();
        server.start(8081);
        while (true) {
            Iterator<SocketContext> socketContexts = server.getStatusChangedContext().iterator();
            while (socketContexts.hasNext()) {
                SocketContext context = socketContexts.next();
                socketContexts.remove();
                if (context.getStatus() == SocketContext.STATUS_READABLE) {
                    // 处理读
                    System.out.println(context.read());
                    context.write("Ok");
                }
            }
        }


    }
}

代码2-4代码2-5逻辑跨越应该不大,这里解释下2-5的一些细节.

为了让NioSocket在后台持续监听我们设定的端口,我们将 socket = listenAccept(); handleSocket(socket);这两个步骤放入一个单独的线程。每次有客户端接入,便会得到一个新的socket,将这个新的socket加入到socketList中,然后在startChildHandler启动的线程中遍历所有socket,并判断其状态改变(可读)。

为了把业务控制权交于调用方,在本例中也就是NioSocketTest.test。我定义看一个变量statusChangedContext,如果有socket可读,则将其包装成SocketContext加入到statusChangedContext中取。这样,调用方直接拿到statusChangedContext去遍历,就可以处理所有的socket的读事件。

当调用方调用getStatusChangedContext()方法时,如果此时statusChangedContext为空,则调用线程会被挂起,知道有可读事件出现,调用线程被唤醒(statusChangedContext.notifyAll())

java nio实现

如果看官老爷读了上面两部分,那么至少对nio的使用已经有所领悟了。上面我们自制了一个nio 的socket,虽然只能对read事件作出反应,但是其他的事件,比如,可写、socket断开等事件也是可以按照这个思路去做的。那么我们就可以无缝切入java nio了。

代码2-7

public class NioServer {

    private Selector selector;
    private Selector chiledSelector;

    public void start(int port) throws IOException {
        // 通过open()方法找到Selector
        selector = Selector.open();
        chiledSelector = Selector.open();
        // 打开服务器套接字通道
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 服务器配置为非阻塞
        ssc.configureBlocking(false);
        // 进行服务的绑定
        ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", port));
        // 注册到selector,等待连接
        SelectionKey selectionKey = ssc.register(selector, 0);
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                if (!key.isValid()) {
                    continue;
                }
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel clientChannel = ssc.accept();
                    handleSocket(clientChannel);
                }
                keyIterator.remove(); //该事件已经处理,可以丢弃
            }
        }
    }


    public Set<SelectionKey> getStatusChangedContext() throws IOException {
        chiledSelector.select();
        return chiledSelector.selectedKeys();
    }

    private void handleSocket(SocketChannel clientChannel) throws IOException {
        clientChannel.configureBlocking(false);
        clientChannel.register(chiledSelector, SelectionKey.OP_READ);
        System.out.println("a new client connected " + clientChannel.getRemoteAddress());
    }

    public void write(SelectionKey key, String msg) throws IOException, ClosedChannelException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        System.out.println("write:" + msg);
        ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        sendBuffer.clear();
        sendBuffer.put(msg.getBytes());
        sendBuffer.flip();
        channel.write(sendBuffer);
        channel.register(chiledSelector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    public String read(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        readBuffer.clear();
        int numRead;
        try {
            numRead = socketChannel.read(readBuffer);
        } catch (IOException e) {
            key.cancel();
            socketChannel.close();

            return null;
        }
        return new String(readBuffer.array(), 0, numRead);
    }
}

代码2-8

public class NioServerTest {

    @Test
    public void test() throws IOException {
        NioServer server = new NioServer();
        server.start(8081);
        while (true) {
            Iterator<SelectionKey> socketContexts = server.getStatusChangedContext().iterator();
            while (socketContexts.hasNext()) {
                SelectionKey key = socketContexts.next();
                socketContexts.remove();
                if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) != 0) {
                    System.out.println(server.read(key));
                    server.write(key, "Ok");
                }
            }
        }
    }
    
}

上面利用java nio写的server跟我们自己实现的nio写的server效果是一样的。我们自己创建监听客户端线程,还有处理socket线程的工作,交给了java nio内部(当然不是简单的起了两个线程而已,我只是简化了这个模型)。

在java nio中,socket不在是socket,而是SocketChannel,这里大家暂时理解他俩等价吧。然后一个Selector就相当于一个线程,然后我们将channel与selector通过register方法关联起来,并指定我们感兴趣的事。注意:这里跟我们自己实现的nio有区别,我们没有提供注册兴趣事件,而是默认对可读事件感兴趣。然后我们调selector.select()方法,同样,这个方法没有事件发生会阻塞。然后得到事件集合去遍历处理。

小节

这篇文章,我们通过bio的socket自己通过线程和循环实现了服务端,并有了事件的概念。然后我们又用Nio的方式去实现了相同的功能。通过两种方式,我们很自然的理解了Nio的使用及基本原理,下一章我们将会更加细致的学习Java NIO.

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