《Netty 权威指南》—— NIO创建的TimeClient源码分析

声明:本文是《Netty 权威指南》的样章,感谢博文视点授权并发编程网站发布样章,禁止以任何形式转载此文。

我们首先还是看下如何对TimeClient进行改造:

public class TimeClient {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

	int port = 8080;
	if (args != null && args.length > 0) {
	    try {
		port = Integer.valueOf(args[0]);
	    } catch (NumberFormatException e) {
		// 采用默认值
	    }
	}
	new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001")
		.start();
    }
}

与之前唯一不同的就是我们通过创建TimeClientHandle线程来处理异步连接、读写操作,由于TimeClient非常简单且变更不大,我们重点分析TimeClientHandle,代码如下:

public class TimeClientHandle implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile boolean stop;

    public TimeClientHandle(String host, int port) {
	this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
	this.port = port;
	try {
	    selector = Selector.open();
	    socketChannel = SocketChannel.open();
	    socketChannel.configureBlocking(false);
	} catch (IOException e) {
	    e.printStackTrace();
	    System.exit(1);
	}
    }

    /*
     * (non-Javadoc)
     *
     * @see java.lang.Runnable#run()
     */
    @Override
    public void run() {
	try {
	    doConnect();
	} catch (IOException e) {
	    e.printStackTrace();
	    System.exit(1);
	}
	while (!stop) {
	    try {
		selector.select(1000);
		Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
		Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.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);
	    }
	}

	// 多路复用器关闭后,所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭,所以不需要重复释放资源
	if (selector != null)
	    try {
		selector.close();
	    } catch (IOException e) {
		e.printStackTrace();
	    }
    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {

	if (key.isValid()) {
	    // 判断是否连接成功
	    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
	    if (key.isConnectable()) {
		if (sc.finishConnect()) {
		    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		    doWrite(sc);
		} else
		    System.exit(1);// 连接失败,进程退出
	    }
	    if (key.isReadable()) {
		ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
		int readBytes = sc.read(readBuffer);
		if (readBytes > 0) {
		    readBuffer.flip();
		    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
		    readBuffer.get(bytes);
		    String body = new String(bytes, "UTF-8");
		    System.out.println("Now is : " + body);
		    this.stop = true;
		} else if (readBytes < 0) {
		    // 对端链路关闭
		    key.cancel();
		    sc.close();
		} else
		    ; // 读到0字节,忽略
	    }
	}

    }

    private void doConnect() throws IOException {
	// 如果直接连接成功,则注册到多路复用器上,发送请求消息,读应答
	if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
	    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
	    doWrite(socketChannel);
	} else
	    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
	byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
	ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
	writeBuffer.put(req);
	writeBuffer.flip();
	sc.write(writeBuffer);
	if (!writeBuffer.hasRemaining())
	    System.out.println("Send order 2 server succeed.");
    }
}

与服务端类似,我们通过对关键步骤的源码进行分析和解读,让大家深入了解如何创建NIO客户端以及如何使用NIO的API。

8-19行构造函数用于初始化NIO的多路复用器和SocketChannel对象,需要注意的是创建SocketChannel之后,需要将其设置为异步非阻塞模式。就像在2.3.3章节中所讲的,我们可以设置SocketChannel的TCP参数,例如接收和发送的TCP缓冲区大小
28-33行用于发送连接请求,作为示例,连接是成功的,所以不需要做重连操作,因此将其放到循环之前。下面我们具体看看doConnect的实现,代码跳到第116-123行,首先对SocketChannel的connect()操作进行判断,如果连接成功,则将SocketChannel注册到多路复用器Selector上,注册SelectionKey.OP_READ,如果没有直接连接成功,说明服务端没有返回TCP握手应答消息,这并不代表连接失败,我们需要将SocketChannel注册到多路复用器Selector上,注册SelectionKey.OP_CONNECT,当服务端返回TCP syn-ack消息后,Selector就能够轮询到这个SocketChannel处于连接就绪状态
4-72行在循环体中轮询多路复用器Selector,当有就绪的Channel时,执行第59行的handleInput(key)方法,下面我们就对handleInput方法进行分析。

跳到第68行,我们首先对SelectionKey进行判断,看它处于什么状态。如果是处于连接状态,说明服务端已经返回ACK应答消息,我们需要对连接结果进行判断,调用SocketChannel的finishConnect()方法,如果返回值为true,说明客户端连接成功,如果返回值为false或者直接抛出IOException,说明连接失败。在本例程中,返回值为true,说明连接成功。将SocketChannel注册到多路复用器上,注册SelectionKey.OP_READ操作位,监听网络读操作。然后发送请求消息给服务端,下面我们对doWrite(sc)进行分析。代码跳到110行,我们构造请求消息体,然后对其编码,写入到发送缓冲区中,最后调用SocketChannel的write方法进行发送,由于发送是异步的,所以会存在“半包写”问题,此处不再赘述。最后通过hasRemaining()方法对发送结果进行判断,如果缓冲区中的消息全部发送完成,打印”Send order 2 server succeed.

代码返回第80行,我们继续分析下客户端是如何读取时间服务器应答消息的。如果客户端接收到了服务端的应答消息,则SocketChannel是可读的,由于无法事先判断应答码流的大小,我们就预分配1M的接收缓冲区用于读取应答消息,调用SocketChannel的read()方法进行异步读取操作,由于是异步操作,所以必须对读取的结果进行判断,这部分的处理逻辑已经在2.3.3章节详细介绍过,此处不再赘述。如果读取到了消息,则对消息进行解码,最后打印结果。执行完成后将stop置为true,线程退出循环
线程退出循环后,我们需要对连接资源进行释放,以实现“优雅退出”。60-66行用于多路复用器的资源释放,由于多路复用器上可能注册成千上万的Channel或者pipe,如果一一对这些资源进行释放显然不合适。因此,JDK底层会自动释放所有跟此多路复用器关联的资源,JDK的API DOC如下:

1

多路复用器Selector的资源释放

到此为止,我们已经将时间服务器通过NIO完成了改造,并对源码进行了分析和解读,下面分别执行时间服务器的服务端和客户端,看执行结果。

服务端执行结果:

2

NIO时间服务器服务端执行结果

客户端执行结果:

2

NIO时间服务器客户端执行结果

通过源码对比分析,我们发现NIO编程难度确实比同步阻塞BIO大很多,我们的NIO例程并没有考虑“半包读”和“半包写”,如果加上这些,代码将会更加复杂。NIO代码既然这么复杂,为什么它的应用却越来越广泛呢,使用NIO编程的优点总结如下:

1)  客户端发起的连接操作是异步的,可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果,不需要像之前的客户端那样被同步阻塞;

2) SocketChannel的读写操作都是异步的,如果没有可读写的数据它不会同步等待,直接返回,这样IO通信线程就可以处理其它的链路,不需要同步等待这个链路可用;

3)  线程模型的优化:由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现,它没有连接句柄数的限制(只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制),这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接,而且性能不会随着客户端的增加而线性下降,因此,它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

JDK1.7升级了NIO类库,升级后的NIO类库被称为NIO2.0,引人注目的是Java正式提供了异步文件IO操作,同时提供了与Unix网络编程事件驱动IO对应的AIO,下面的2.4章节我们学习下如何利用NIO2.0编写AIO程序,我们还是以时间服务器为例进行讲解。


 

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李 林锋

《Netty权威指南》作者,高级架构师。
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  • 评论 (2)
    • 哈哈
    • 2014/05/16 6:23下午

    关注中,至少把本书的目录列一下吧,20号要发售,从这几章来看,貌似吸引力不是很大,china-pub上预售中现在也没看到哈

    • ReadJVM
    • 2014/10/10 3:28下午

    it.remove();
    JDK1.7这行抛异常

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