java Nio使用NioSocket客户端与服务端交互实现方式
作者：wkCaeser_
NioSocket 客户端与服务端交互实现
java Nio是jdk1.4新增的io方式—–nio（new IO），这种方式在目前来说算不算new，更合适的解释应该是non-block IO。
non-block是相对于传统的io方式来讲的。传统的Io方式是阻塞的，我们拿网络io来举例，传统的io模型如下：
服务端主线程负责不断地server.accept()，如果没有客户端请求主线程就会阻塞，当客户端请求时，主线程会通过线程池创建一个新的线程执行。
简单解释就是一个线程负责一个客户端的socket，当客户端因网络等原因传递速度慢的时候，服务端对应的客户端的线程就会等待，很浪费资源。
同时线程过少的话会影响服务的吞吐量，而线程过多的话由于上下文切换等原因会导致效率十分低下，传统的io方式并不适合如今的网络流量。
Nio的模型如下：
nio相比传统的io模型，最大的特点是优化了线程的使用。
nio通过selector可以使用一个线程去管理多个socket句柄，说是管理也不太合适，nio是采用的事件驱动模型，selector负责的是监控各个连接句柄的状态，不是去轮询每个句柄，而是在数据就绪后，将消息通知给selector，而具体的socket句柄管理则是采用多路复用的模型，交由操作系统来完成。
selector充当的是一个消息的监听者，负责监听channel在其注册的事件，这样就可以通过一个线程完成了大量连接的管理，当注册的事件发生后，再调用相应线程进行处理。
这样就不需要为每个连接都使用一个线程去维持长连接，减少了长连接的开销，同时减少了上下文的切换提高了系统的吞吐量。
java Nio的组成
java Nio主要由三个核心部分组成：
- Buffer - Channel - Selector
所有的io的Nio都是从一个channel开始的，Channel有点类似于流，但是和流不同的是，channel是可以双向读写的。Channel有几种类型，主要包含文件io操作和网络io：
- FileChannel （文件io） - DatagramChannel （udp数据报） - SocketChannel （tcp客户端） - ServerSocketChannel （tcp服务端）
Buffer是一个中间缓存区，数据可以从channel读取到buffer，也可以从buffer写到channel中，在java中，传统方式与io的交互，需要将数据从堆内存读取到直接内存中，然后交由c语言来调用系统服务完成io的交互。
而使用Buffer可以直接在直接内存中开辟内存区域，减少了io复制的操作，从而提高了io操作的效率。
#基本数据类型的buffer - ByteBuffer - CharBuffer - DoubleBuffer - FloatBuffer - IntBuffer - LongBuffer - ShortBuffer #文件内存映射buffer - MappedByteBuffer #直接内存区buffer - DirectBuffer
Selector允许单个线程处理多个channel，可以将多个channel教给selector管理，并注册相应的事件，而selector则采用事件驱动的方式，当注册的事件就绪后，调用相应的相应的线程处理该时间，不用使用线程去维持长连接，减少了线程的开销。
Selector通过静态工厂的open方法建立，然后通过channel的register注册到Channel上。
注册后通过select方法等待请求，select请求有long类型参数，代表等待时间，如果等待时间内接受到操作请求，则返回可以操作请求的数量，否则超时往下走。
传入参数为零或者无参方法，则会采用阻塞模式知道有相应请求。
收到请求后调用selectedKeys返回SelectionKey的集合。
SelectionKey保存了处理当前请求的Channel和Selector，并且提供了不同的操作类型。
SelectionKey的操作有四种：
- SelectionKey.OP_CONNECT - SelectionKey.OP_ACCEPT - SelectionKey.OP_READ - SelectionKey.OP_WRITE
下面为一个客户端与服务端实用NioSocket交互的简单例子：
//对selectionKey事件的处理
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
interface ServerHandlerBs {
void handleAccept(SelectionKey selectionKey) throws IOException;
String handleRead(SelectionKey selectionKey) throws IOException;
}
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
public class ServerHandlerImpl implements ServerHandlerBs {
private int bufferSize = 1024;
private String localCharset = "UTF-8";
public ServerHandlerImpl() {
}
public ServerHandlerImpl(int bufferSize) {
this(bufferSize, null);
}
public ServerHandlerImpl(String localCharset) {
this(-1, localCharset);
}
public ServerHandlerImpl(int bufferSize, String localCharset) {
this.bufferSize = bufferSize > 0 ? bufferSize : this.bufferSize;
this.localCharset = localCharset == null ? this.localCharset : localCharset;
}
@Override
public void handleAccept(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
//获取channel
SocketChannel socketChannel = ((ServerSocketChannel) selectionKey.channel()).accept();
//非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//注册selector
socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufferSize));
System.out.println("建立请求......");
}
@Override
public String handleRead(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) selectionKey.attachment();
String receivedStr = "";
if (socketChannel.read(buffer) == -1) {
//没读到内容关闭
socketChannel.shutdownOutput();
socketChannel.shutdownInput();
socketChannel.close();
System.out.println("连接断开......");
} else {
//将channel改为读取状态
buffer.flip();
//按照编码读取数据
receivedStr = Charset.forName(localCharset).newDecoder().decode(buffer).toString();
buffer.clear();
//返回数据给客户端
buffer = buffer.put(("received string : " + receivedStr).getBytes(localCharset));
//读取模式
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
//注册selector 继续读取数据
socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufferSize));
}
return receivedStr;
}
}
//服务端server类
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
public class NioSocketServer {
private volatile byte flag = 1;
public void setFlag(byte flag) {
this.flag = flag;
}
public void start() {
//创建serverSocketChannel，监听8888端口
try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
//设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//为serverChannel注册selector
Selector selector = Selector.open();
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务端开始工作：");
//创建消息处理器
ServerHandlerBs handler = new ServerHandlerImpl(1024);
while (flag == 1) {
selector.select();
System.out.println("开始处理请求 ： ");
//获取selectionKeys并处理
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
try {
//连接请求
if (key.isAcceptable()) {
handler.handleAccept(key);
}
//读请求
if (key.isReadable()) {
System.out.println(handler.handleRead(key));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
//处理完后移除当前使用的key
keyIterator.remove();
}
System.out.println("完成请求处理。");
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//server端启动类
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
public class ServerMain {
public static void main(String[] args) {
NioSocketServer server = new NioSocketServer();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(10*60*1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
server.setFlag((byte) 0);
}
}).start();
server.start();
}
}
//客户端client类
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
public class NioSocketClient {
public void start() {
try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
//连接服务端socket
SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("localhost", 8888);
socketChannel.connect(socketAddress);
int sendCount = 0;
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//这里最好使用selector处理 这里只是为了写的简单
while (sendCount < 10) {
buffer.clear();
//向服务端发送消息
buffer.put(("current time : " + System.currentTimeMillis()).getBytes());
//读取模式
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
//从服务端读取消息
int readLenth = socketChannel.read(buffer);
//读取模式
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readLenth];
buffer.get(bytes);
System.out.println(new String(bytes, "UTF-8"));
buffer.clear();
sendCount++;
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//client启动类
/**
* description:
*
* @author wkGui
*/
public class ClientMain {
public static void main(String[] args) {
new NioSocketClient().start();
}
}
Java NIO 实现 WebSocket 协议
WebSocket协议
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。 WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
WebSocket协议相比于Http协议来说，最大的特点就是可以实现服务端主动向客户端发送消息。在WebSocket出现之前，如果客户端想实时获取服务端的消息，就需要使用AJAX轮询，查询是否有消息，这样就很消耗服务器资源和带宽。但是用WebSocket就可以实现服务端主动向客户端发送数据，并且只需要占用一个TCP连接，节省了资源和带宽。
WebSocket连接建立过程
为了建立一个WebSocket连接，客户端浏览器首先要向服务器发起一个HTTP请求，这个请求和通常的HTTP请求不同，包含了一些附加的头信息，其中附加头信息“Upgrade: WebSocket” 表明这是一个申请协议升级的HTTP请求。服务器端解析这些附加的信息头，然后生成应答消息返回给客户端，客户端和服务端的WebSocket连接就建立了。之后就可以使用WebSocket协议的格式来双向发送消息。
建立连接时发送的HTTP请求头：
返回的HTTP响应头：
在响应头中的 Sec-WebSocket-Accept 时通过Sec-WebSocket-Key构造出来的。首先在Sec-WebSocket-Key后接上一个258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11，然后再进行SHA1摘要得到160位数据在，在使用BASE64进行编码，最后得到的就是Sec-WebSocket-Accept。
WebSocket数据发送过程
WebSocket数据发送的帧格式如下所示：
FIN - 1bit
在数据发送的过程中，可能会分片发送，FIN表示是否为最后一个分片。如果发生了分片，则1表示时最后一个分片；不能再分片的情况下，这个标志总是为1。
RSV1 RSV2 RSV3 - 1bit each
用于扩展，不使用扩展时需要为全0；非零时通信双方必须协商好扩展。这里我们用不上。
OPCODE - 4bits
用于表示所传送数据的类型，也就是payload中的数据。
| 数值 | 含义 |
|---|---|
| 0x0 | 附加数据帧 |
| 0x1 | 文本数据帧 |
| 0x2 | 二进制数据帧 |
| 0x3-0x7 | 保留 |
| 0x8 | 关闭连接帧 |
| 0x9 | ping帧 |
| 0xA | pong帧 |
| 0xB-0xF | 保留 |
MASK - 1bit
用于表示payload是否被进行了掩码运算，1表示使用掩码，0表示不使用掩码。从客户端发送向服务端的数据帧必须使用掩码。
Payload length 7 bits，7+16 bits or 7+64 bits
用于表示payload的长度，有以下三种情况：
| Payload length 表示的大小 | payload的长度 |
|---|---|
| 0 - 125 | Payload length 大小 |
| 126 | 之后的2个字节表示的无符号整数 |
| 127 | 之后的8个字节表示的无符号整数 |
Masking-key - 0 or 4 bytes
32 bit长的掩码，如果MASK为1，则帧中就存在这一个字段，在解析payload时，需要进行使用32长掩码进行异或操作，之后才能得到正确结果。
Java NIO 实现
利用Java NIO 来实现一个聊天室。部分代码如下。
NIO的常规代码：
selector.select(1000);
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = it.next();
it.remove();
if (key.isAcceptable()) {
handleAccept(key);
}
if (key.isReadable()) {
handleRead(key);
}
}
接受连接：
public void handleAccept(SelectionKey key) {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc;
try {
sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(String.format("[server] -- client %s connected.", sc.getRemoteAddress().toString()));
} catch (IOException e) {
System.out.println(String.format("[server] -- error occur when accept: %s.", e.getMessage()));
key.cancel();
}
}
读取通道中的数据：
public void handleRead(SelectionKey key) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
Client client = (Client) key.attachment();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 如果是第一次连接进来，就需要创建一个客户端对象，存储起来
if (client == null) {
client = new Client(sc);
clients.add(client);
key.attach(client);
byteBuffer.clear();
// 如果连接还没有建立，就是要HTTP建立连接
try {
sc.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
String response = WebSocketHandler.getResponse(new String(byteBuffer.array()));
byteBuffer.clear();
byteBuffer.put(response.getBytes());
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
sc.write(byteBuffer);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(String.format("[server] -- error occur when read: %s.", e.getMessage()));
}
String message = "[系统消息] " + client.toString() + " 加入了群聊";
broadcast(message.getBytes(), client);
}
byteBuffer.clear();
int read = 0;
try {
read = sc.read(byteBuffer);
if (read > 0) {
byteBuffer.flip();
int opcode = byteBuffer.get() & 0x0f;
// 8表示客户端关闭了连接
if (opcode == 8) {
System.out.println(String.format("[server] -- client %s connection close.", sc.getRemoteAddress()));
clients.remove(client);
String message = "[系统消息] " + client.toString() + " 退出了群聊";
broadcast(message.getBytes(), client);
sc.close();
key.cancel();
return;
}
// 只考虑了最简单的payload长度情况。
int len = byteBuffer.get();
len &= 0x7f;
byte[] mask = new byte[4];
byteBuffer.get(mask);
byte[] payload = new byte[len];
byteBuffer.get(payload);
for (int i = 0; i < payload.length; i++) {
payload[i] ^= mask[i % 4];
}
System.out.println(String
.format("[server] -- client: [%s], send: [%s].", client.toString(), new String(payload)));
String message = String.format("[%s]: %s", client.toString(), new String(payload));
broadcast(message.getBytes(), client);
} else if (read == -1) {
System.out.println(String.format("[server] -- client %s connection close.", sc.getRemoteAddress()));
clients.remove(client);
String message = "[系统消息] " + client.toString() + " 退出了群聊";
broadcast(message.getBytes(), client);
sc.close();
key.cancel();
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(String.format("[server] -- error occur when read: %s.", e.getMessage()));
}
}
使用HTTP建立WebSocket连接。
public class WebSocketHandler {
private static String APPEND_STRING = "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11";
static class Header {
private Map<String, String> properties = new HashMap<>();
public String get(String key) {
return properties.get(key);
}
}
private WebSocketHandler() {}
private static Header phrase(String request) {
Header header = new Header();
String[] pros = request.split("\r\n");
for (String pro : pros) {
if (pro.contains(":")) {
int index = pro.indexOf(":");
String key = pro.substring(0, index).trim();
String value = pro.substring(index + 1).trim();
header.properties.put(key, value);
}
}
return header;
}
public static String getResponse(String request) {
Header header = phrase(request);
String acceptKey = header.get("Sec-WebSocket-Key") + APPEND_STRING;
MessageDigest sha1;
try {
sha1 = MessageDigest.getInstance("sha1");
sha1.update(acceptKey.getBytes());
acceptKey = new String(Base64.getEncoder().encode(sha1.digest()));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
System.out.println("fail to encode " + e.getMessage());
return null;
}
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
stringBuilder.append("HTTP/1.1 101 Switching Protocols\r\n").append("Upgrade: websocket\r\n")
.append("Connection: Upgrade\r\n").append("Sec-WebSocket-Accept: " + acceptKey + "\r\n")
.append("\r\n");
return stringBuilder.toString();
}
}
客户端对象
/**
* @author XinHui Chen
* @date 2020/2/8 19:20
*/
public class Client {
private SocketChannel socketChannel = null;
private String id = null;
public SocketChannel getSocketChannel() {
return socketChannel;
}
public String getId() {
return id;
}
Client(SocketChannel socketChannel) {
this.socketChannel = socketChannel;
this.id = UUID.randomUUID().toString();
}
@Override
public String toString() {
try {
return id + " " + socketChannel.getRemoteAddress().toString();
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return null;
}
}
}
结果
使用网页和控制台与服务端建立WebSocket连接，发送数据。两个都能成功显示。
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。