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连网和异步 I/O
概述
连网是学习异步 I/O 的很好基础,而异步 I/O 对于在 Java 语言中执行任何输入/输出过程的人来说,无疑都是必须具备的知识。NIO 中的连网与 NIO 中的其他任何操作没有什么不同 ― 它依赖通道和缓冲区,而您通常使用 InputStream
和 OutputStream
来获得通道。
本节首先介绍异步 I/O 的基础 ― 它是什么以及它不是什么,然后转向更实用的、程序性的例子。
异步 I/O
异步 I/O 是一种 没有阻塞地 读写数据的方法。通常,在代码进行 read()
调用时,代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样, write()
调用将会阻塞直至数据能够写入。
另一方面,异步 I/O 调用不会阻塞。相反,您将注册对特定 I/O 事件的兴趣 ― 可读的数据的到达、新的套接字连接,等等,而在发生这样的事件时,系统将会告诉您。
异步 I/O 的一个优势在于,它允许您同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询,或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O,您可以监听任何数量的通道上的事件,不用轮询,也不用额外的线程。
我们将通过研究一个名为 MultiPortEcho.java 的例子程序来查看异步 I/O 的实际应用。这个程序就像传统的 echo server,它接受网络连接并向它们回响它们可能发送的数据。不过它有一个附加的特性,就是它能同时监听多个端口,并处理来自所有这些端口的连接。并且它只在单个线程中完成所有这些工作。
Selectors
本节的阐述对应于 MultiPortEcho
的源代码中的 go()
方法的实现,因此应该看一下源代码,以便对所发生的事情有个更全面的了解。
异步 I/O 中的核心对象名为 Selector
。Selector
就是您注册对各种 I/O 事件的兴趣的地方,而且当那些事件发生时,就是这个对象告诉您所发生的事件。
所以,我们需要做的第一件事就是创建一个 Selector
:
Selector selector = Selector.open();
然后,我们将对不同的通道对象调用 register()
方法,以便注册我们对这些对象中发生的 I/O 事件的兴趣。register()
的第一个参数总是这个 Selector
。
打开一个 ServerSocketChannel
为了接收连接,我们需要一个 ServerSocketChannel
。事实上,我们要监听的每一个端口都需要有一个 ServerSocketChannel
。对于每一个端口,我们打开一个 ServerSocketChannel
,如下所示:
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking( false ); ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[i] );
ss.bind( address );
第一行创建一个新的 ServerSocketChannel
,最后三行将它绑定到给定的端口。第二行将 ServerSocketChannel
设置为 非阻塞的 。我们必须对每一个要使用的套接字通道调用这个方法,否则异步 I/O 就不能工作。
选择键
下一步是将新打开的 ServerSocketChannels
注册到 Selector
上。为此我们使用 ServerSocketChannel.register() 方法,如下所示:
SelectionKey key = ssc.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );
register()
的第一个参数总是这个 Selector
。第二个参数是 OP_ACCEPT
,这里它指定我们想要监听 accept 事件,也就是在新的连接建立时所发生的事件。这是适用于 ServerSocketChannel
的唯一事件类型。
请注意对 register()
的调用的返回值。 SelectionKey
代表这个通道在此 Selector
上的这个注册。当某个 Selector
通知您某个传入事件时,它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey
来进行的。SelectionKey
还可以用于取消通道的注册。
内部循环
现在已经注册了我们对一些 I/O 事件的兴趣,下面将进入主循环。使用 Selectors
的几乎每个程序都像下面这样使用内部循环:
int num = selector.select(); Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator(); while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
// ... deal with I/O event ...
}
首先,我们调用 Selector
的 select()
方法。这个方法会阻塞,直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时, select()
方法将返回所发生的事件的数量。
接下来,我们调用 Selector
的 selectedKeys()
方法,它返回发生了事件的 SelectionKey
对象的一个 集合
。
我们通过迭代 SelectionKeys
并依次处理每个 SelectionKey
来处理事件。对于每一个 SelectionKey
,您必须确定发生的是什么 I/O 事件,以及这个事件影响哪些 I/O 对象。
监听新连接
程序执行到这里,我们仅注册了 ServerSocketChannel
,并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点,我们对 SelectionKey
调用 readyOps()
方法,并检查发生了什么类型的事件:
if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
== SelectionKey.OP_ACCEPT) { // Accept the new connection
// ...
}
可以肯定地说, readOps()
方法告诉我们该事件是新的连接。
接受新的连接
因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待,所以可以安全地接受它;也就是说,不用担心 accept()
操作会阻塞:
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();
下一步是将新连接的 SocketChannel
配置为非阻塞的。而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据,所以我们还必须将 SocketChannel
注册到 Selector
上,如下所示:
sc.configureBlocking( false );
SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );
注意我们使用 register()
的 OP_READ
参数,将 SocketChannel
注册用于 读取 而不是 接受 新连接。
删除处理过的 SelectionKey
在处理 SelectionKey
之后,我们几乎可以返回主循环了。但是我们必须首先将处理过的 SelectionKey
从选定的键集合中删除。如果我们没有删除处理过的键,那么它仍然会在主集合中以一个激活的键出现,这会导致我们尝试再次处理它。我们调用迭代器的 remove()
方法来删除处理过的 SelectionKey
:
it.remove();
现在我们可以返回主循环并接受从一个套接字中传入的数据(或者一个传入的 I/O 事件)了。
传入的 I/O
当来自一个套接字的数据到达时,它会触发一个 I/O 事件。这会导致在主循环中调用 Selector.select()
,并返回一个或者多个 I/O 事件。这一次, SelectionKey
将被标记为 OP_READ
事件,如下所示:
} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
== SelectionKey.OP_READ) {
// Read the data
SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
// ...
}
与以前一样,我们取得发生 I/O 事件的通道并处理它。在本例中,由于这是一个 echo server,我们只希望从套接字中读取数据并马上将它发送回去。关于这个过程的细节,请参见 参考资料 中的源代码 (MultiPortEcho.java)。
回到主循环
每次返回主循环,我们都要调用 select
的 Selector()
方法,并取得一组 SelectionKey
。每个键代表一个 I/O 事件。我们处理事件,从选定的键集中删除 SelectionKey
,然后返回主循环的顶部。
这个程序有点过于简单,因为它的目的只是展示异步 I/O 所涉及的技术。在现实的应用程序中,您需要通过将通道从 Selector
中删除来处理关闭的通道。而且您可能要使用多个线程。这个程序可以仅使用一个线程,因为它只是一个演示,但是在现实场景中,创建一个线程池来负责 I/O 事件处理中的耗时部分会更有意义。
https://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html
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