《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：

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：

NIO时间服务器服务端执行结果

客户端执行结果：

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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