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NIO网络通信基础

backend 2025/7/19 19:00:21

文章目录

  • 概述
  • 一、Socket
  • 二、NIO三大组件与事件
  • 三、Reactor模式
  • 四、NIO通信案例
    • 4.1、服务端
    • 4.2、客户端

本文为个人学习笔记整理，仅供交流参考，非专业教学资料，内容请自行甄别

概述

  前篇中提到，BIO是阻塞的IO，阻塞体现在建立连接和通信时，并且线程模型是1:1的。即使使用线程池进行处理，也受限于最大线程数以及cpu上下文的切换。
  NIO则是非阻塞的IO，利用了Reactor反应器模式和多路复用机制。可以实现服务端一个线程应对多个客户端的连接和请求而不阻塞。

一、Socket

  在计算机网络中，TCP、UDP是运输层的协议，应用层需要依靠运输层提供服务。Socket是位于应用层和运输层之间的一个中间软件抽象层，屏蔽了运输层协议的一些实现细节，例如TCP的三次握手，四次挥手，滑动窗口算法等。
  从设计模式的角度来看，Socket属于典型的外观模式，用户无需关心底层的具体实现细节，通过Socket提供的API即可实现网络编程。
  主机 A 的应用程序要能和主机 B 的应用程序通信，必须通过 Socket 建立连接，无论是客户端连接上服务端，还是服务端接收了客户端的连接，都会产生一个Socket 实例：
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创建服务端
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接收客户端的连接
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启动客户端

二、NIO三大组件与事件

  NIO的三大组件：

  • Selector：选择器，客户端和服务端会将自己感兴趣的事件注册到选择器上，在有事件到达时，选择器通知订阅者去执行相应的操作。（Reactor模式），通过一个Selector去管理多个Channel，就称为NIO的多路复用机制。
  • Channel：通道，是应用间传递数据的渠道，是双工通信，应用程序可以通过通道读取数据，也可以通过通道向操作系统写数据，而且可以同时进行读写。
  • Buffer：缓冲区，BIO和NIO的区别其一就是，BIO是面向字节流的，而NIO是面向缓冲区的。数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中。
    • 在写入时，应用程序将数据写入Buffer，再通过Channel将Buffer中的数据传递出去。
    • 在读取时，先将Channel中的数据读入Buffer，应用程序再从Buffer中读取数据。

  与Selector和Channel相关的，还有一个SelectionKey。SelectionKey是一个抽象类，维护了Selector和Channel的关系。SelectionKey定义了四个事件：
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  • OP_READ：读事件，当缓冲区中有数据可读时，触发该事件，通常需要主动去关注，以接收到缓冲区有数据可读的通知，并进行处理。
  • OP_WRITE：写事件，当缓冲区有空闲时，就会触发该事件。一般情况下是无需关注该事件的，因为缓冲区不会被占满，关注该事件浪费CPU资源。
  • OP_CONNECT：连接事件，当SocketChannel.connect()请求连接成功后就绪，只允许客户端关注。
  • OP_ACCEPT：接收连接事件，当服务器接收到客户端的连接后就需，只允许服务端关注。

  对于服务端而言，通常是ServerSocketChannel创建后注册OP_ACCEPT事件，在接收到客户端的连接，产生SocketChannel后，关注OP_READ事件。
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  对于客户端而言，通常是SocketChannel创建后，执行连接服务端的操作，因为通过SocketChannel的configureBlocking方法，将通道设置成了非阻塞，所以调用connect()方法可能立即返回，而不会等待连接建立。连接过程在后台异步进行，线程可以继续执行其他任务，就要根据connect()方法的返回值，执行不同的操作：

  • 如果connect()方法返回true，代表连接建立成功，就关注OP_READ事件。
  • 如果connect()方法返回false，代表连接没有建立完成，继续关注OP_CONNECT事件。

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  后续在进行事件处理时，如果关注了OP_CONNECT事件，就再次判断通道是否建立完成，如果建立完成，就关注OP_READ事件。
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三、Reactor模式

  Reactor模式是NIO的底层实现机制，体现在NIO的Selector选择器上。
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图片来源：图灵学院

  Reactor模式的思想，简单来说，就是用户向选择器进行注册，告诉选择器自己所关心的事件，当对应的事件发生时，再由选择器去通知用户，然后用户执行自己的操作。所以选择器是Reactor模式的核心组件。
  Reactor模式主要由两个核心部分组成：

  1. Reactor：负责监听和分发I/O事件（如连接事件、读写事件）。它运行在一个独立线程中，通过选择器（Selector）实现I/O多路复用，不断轮询注册的事件源。当事件就绪时，Reactor将其分发给对应的事件处理器。
  2. 处理资源池：通常是一个线程池，负责执行事件处理逻辑（如读取数据、执行业务逻辑、发送响应）。这避免了耗时操作阻塞Reactor线程。

  假设一个Web服务器使用Reactor模式：
3. 主线程（Reactor线程）注册SocketChannel的READ事件，并调用selector.select()阻塞。
4. 同时，一个工作线程（来自处理资源池）可以处理之前接收到的HTTP请求（如解析数据、访问缓存）。
5. 当新数据到达时，Reactor线程唤醒，派发READ事件给处理器，然后工作线程接管处理。

  Reactor模式也有三种实现：

  1. 单线程的reactor：连接，读取，发送数据，处理业务，都在一个线程中执行。
  2. 多线程工作reactor：连接，读取，发送数据，由一个线程完成，业务工作由线程池去处理。
  3. 多线程主从reactor：连接由一个线程完成，读取，发送数据，由另一个线程完成，业务工作由线程池去处理。

四、NIO通信案例

4.1、服务端

public class NioServerDemo {public static void main(String[] args) throws IOException {//netty服务端 开启ssc//everSocketChannel：对连接建立的事件感兴趣，是对SeverSocket的包装。ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//开启选择器Selector selector = Selector.open();//设置为非阻塞ssc.configureBlocking(false);//绑定端口ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));//Selector登记SSC对连接事件感兴趣。//SelectionKey是SSC和SC向Selector注册的相关的事件的代号。标记了不同的事件。读，写，连接，接受连接事件。ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {//获取当前有哪些事件selector.select(1000);Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();//防止事件重复被处理iterator.remove();//进行处理handle(key, selector);}}}private static void handle(SelectionKey key, Selector selector) throws IOException {if (key.isValid()) {/*处理新加入客户端的请求假设此时有新连接到达Selector*/if (key.isAcceptable()) {//拿到服务端的ssc//Selector将新连接分配给SSC。ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();//接受请求,得到sc//SSC接收完连接后，和客户端进行三次握手，产生一个Socket,然后将Socket包装成SCSocketChannel sc = ssc.accept();System.out.println("==========建立连接=========");//同样设置为非阻塞sc.configureBlocking(false);//Selector登记SC对读事件感兴趣//关注读事件sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);}/*处理读事件假设此时客户端发送了数据到Selector，通知SC有数据过来了。*/ else if (key.isReadable()) {//sc：socketchannel 处理读事件//由SC和客户端进行实际的网络读写。SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();//创建缓冲区//并非直接将数据交付给应用层，而是经过buffer缓冲区。发送数据也是要经过buffer。//buffer本质上是内存中的一块区域，需要读写模式切换ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);//从通道读消息，写入缓冲区int bytes = sc.read(byteBuffer);if (bytes > 0) {//切换模式byteBuffer.flip();byte[] bs = new byte[byteBuffer.remaining()];byteBuffer.get(bs);String message = new String(bs, StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("服务器收到消息：" + message);//发送应答消息到客户端doWrite(sc, message);} else if (bytes < 0) {/*取消特定的注册关系*/key.cancel();/*关闭通道*/sc.close();}}}}/*发送应答消息*/private static void doWrite(SocketChannel sc, String response) throws IOException {byte[] bytes = response.getBytes();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);//将服务端的响应存入buffer中buffer.put(bytes);//切换模式buffer.flip();//写入客户端（从buffer中读，写入对方 ）sc.write(buffer);}}

4.2、客户端

public class NioClientDemo {private static SocketChannel sc;public static void main(String[] args) throws IOException {new Thread(()->{try {client();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}).start();Scanner scanner = new Scanner(System.in);String next = scanner.next();doWrite(sc,next);}private static void client() throws IOException {//创建选择器Selector selector = Selector.open();//创建客户端通道sc = SocketChannel.open();//设置通道为非阻塞sc.configureBlocking(false);//非阻塞的连接//如果sc.connect返回true，代表连接已经建立完成if (sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080))) {//可以关注读取事件sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);}//否则连接还没有建立完成else {//继续关注建立连接事件sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);}//轮询选择器while (true) {selector.select(1000);Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey sk = it.next();it.remove();if (sk.isValid()) {//获得关心当前事件的channelSocketChannel socketChannel = (SocketChannel) sk.channel();//连接事件if (sk.isConnectable()) {//查看通道连接是否建立完成if (sc.finishConnect()) {//建立完成，注册读事件socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);} else{System.exit(1);}}else if (sk.isReadable()){//创建ByteBuffer，并开辟一个1M的缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//将channel中的数据读取到buffer中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,position=0，// 用于后续对缓冲区的读取操作buffer.flip();//根据缓冲区可读字节数创建字节数组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);}//链路已经关闭，释放资源else if(readBytes<0){sk.cancel();sc.close();}}}}}}private static void doWrite(SocketChannel channel,String request)throws IOException {//将消息编码为字节数组byte[] bytes = request.getBytes();//根据数组容量创建ByteBufferByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);//将字节数组复制到缓冲区writeBuffer.put(bytes);//flip操作writeBuffer.flip();//发送缓冲区的字节数组/*关心事件和读写网络并不冲突*/channel.write(writeBuffer);}
}
http://www.xdnf.cn/news/15725.html

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