從Java 1.4開始提供的NIO API常用於開發高性能網絡服務器，本文演示了如何用這個API開發一個TCP Echo Server。
Java網絡服務器編程 一文演示了如何使用Java的Socket API編寫一個簡單的TCP Echo Server。其阻塞式IO的處理方式雖然簡單，但每個客戶端都需要一個單獨的Thread來處理，當服務器需要同時處理大量客戶端時，這種做法不再可行。使用NIO API可以讓一個或有限的幾個Thread同時處理連接到服務器上的所有客戶端。（關於NIO API的一些介紹，可以在Java NIO API詳解一文中找到。）
NIO API允許一個線程通過Selector對象同時監控多個SelectableChannel來處理多路IO，NIO應用程序一般按下圖所示工作：
Figure 1
如Figure 1 所示，ClIEnt一直在循環地進行select操作，每次select()返回以後，通過selectedKeys()可以得到需要處理的SelectableChannel並對其一一處理。
這樣做雖然簡單但也有個問題，當有不同類型的SelectableChannel需要做不同的IO處理時，在圖中ClIEnt的代碼就需要判斷channel的類型然後再作相應的操作，這往往意味著一連串的if else。更糟糕的是，每增加一種新的channel，不但需要增加相應的處理代碼，還需要對這一串if else進行維護。（在本文的這個例子中，我們有ServerSocketChannel和SocketChannel這兩種channel需要分別被處理。）
如果考慮將channel及其需要的IO處理進行封裝，抽象出一個統一的接口，就可以解決這一問題。在Listing 1中的NiOSession就是這個接口。
NioSession的channel()方法返回其封裝的SelectableChannel對象，interestOps()返回用於這個channel注冊的interestOps。registered()是當SelectableChannel被注冊後調用的回調函數，通過這個回調函數，NioSession可以得到channel注冊後的SelectionKey。process()函數則是NiOSession接口的核心，這個方法抽象了封裝的SelectableChannel所需的IO處理邏輯。
Listing 1:
public interface NiOSession {
public SelectableChannel channel();
public int interestOps();
public void registered(SelectionKey key);
public void process();
}
和NioSession一起工作的是NioWorker這個類（Listing 2），它是NioSession的調用者，封裝了一個Selector對象和Figure 1中循環select操作的邏輯。理解這個類可以幫助我們了解該如何使用NiOSession這個接口。
NioWorker實現了Runnable接口，循環select操作的邏輯就在run()方法中。在NioWorker – NioSession這個框架中，NioSession在channel注冊的時候會被作為attachment送入register函數，這樣，在每次select()操作的循環中，對於selectedKeys()中的每一個SelectionKey，我們都可以通過attachment拿到其相對應的NiOSession然後調用其process()方法。
每次select()循環還有一個任務，就是將通過add()方法加入到這個NioWorker的NioSession注冊到Selector上。在Listing 2的代碼中可以看出，NioSession中的channel()被取出並注冊在Selector上，注冊所需的interestOps從NioSession中取出，NioSession本身則作為attachment送入register()函數。注冊成功後，NiOSession的registered()回調函數會被調用。
NioWorker的add()方法的作用是將一個NioSession加入到該NioWorker中，並wakeup當前的select操作，這樣在下一次的select()調用之前，這個NiOSession會被注冊。stop()方法則是讓一個正在run()的NioWorker停止。closeAllChannels()會關閉當前注冊的所有channel，這個方法可在NioWorker不再使用時用來釋放IO資源。
Listing 2:
public class NioWorker implements Runnable {
public NioWorker(Selector sel) {
_sel = sel;
_added = new HashSet();
}
public void run() {
try {
try {
while (_run) {
_sel.select();
Set selected = _sel.selectedKeys();
for (Iterator itr = selected.iterator(); itr.hasNext();) {
SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next();
NioSession s = (NiOSession) key.attachment();
s.process();
itr.remove();
}
synchronized (_added) {
for (Iterator itr = _added.iterator(); itr.hasNext();) {
NioSession s = (NiOSession) itr.next();
SelectionKey key = s.channel().register(_sel, s.interestOps(), s);
s.registered(key);
itr.remove();
}
}
}
} finally {
_sel.close();
}
} catch (IOException ex) {
throw new Error(ex);
}
}
public void add(NiOSession s) {
synchronized (_added) {
_added.add(s);
}
_sel.wakeup();
}
public synchronized void stop() {
_run = false;
_sel.wakeup();
}
public void closeAllChannels() {
for (Iterator itr = _sel.keys().iterator(); itr.hasNext();) {
SelectionKey key = (SelectionKey) itr.next();
try {
key.channel().close();
} catch (IOException ex) {}
}
}
protected Selector _sel = null;
protected Collection _added = null;
protected volatile boolean _run = true;
}
在Echo Server這個例子中，我們需要一個ServerSocketChannel來接受新的TCP連接，對於每個TCP連接，我們還需要一個SocketChannel來處理這個TCP連接上的IO操作。把這兩種channel和上面的NioWorker – NioSession結構整合在一起，可以得到NiOServerSession和NioEchoSession這兩個類，它們分別封裝了ServerSocketChannel和SocketChannel及其對應的IO操作。下面這個UML類圖描述了這4個類的關系：
Figure 2
可以看到NioWorker和NioSession對新加入的兩個類沒有任何依賴性，NioServerSession和NioEchoSession通過實現NioSession這個接口為系統加入了新的功能。這樣的一個體系架構符合了Open-Close原則，新的功能可以通過實現NiOSession被加入而無需對原有的模塊進行修改，這體現了面向對象設計的強大威力。
NioServerSession的實現(Listing 3)相對比較簡單，其封裝了一個ServerSocketChannel以及從這個channel上接受新的TCP連接的邏輯。NioServerSession還需要一個NioWorker的引用，這樣每接受一個新的TCP連接，NiOServerSession就為其創建一個NioEchoSession的對象，並將這個對象加入到NioWorker中。
Listing 3:
public class NioServerSession implements NiOSession {
public NiOServerSession(ServerSocketChannel channel, NioWorker worker) {
_channel = channel;
_worker = worker;
}
public void registered(SelectionKey key) {}
public void process() {
try {
SocketChannel c = _channel.accept();
if (c != null) {
c.configureBlocking(false);
NioEchoSession s = new NioEchoSession(c);
_worker.add(s);
}
} catch (IOException ex) {
throw new Error(ex);
}
}
public SelectableChannel channel() {
return _channel;
}
public int interestOps(){
return SelectionKey.OP_ACCEPT;
}
protected ServerSocketChannel _channel;
protected NioWorker _worker;
}
NioEchoSession的行為要復雜一些，NioEchoSession會先從TCP連接中讀取數據，再將這些數據用同一個連接寫回去，並重復這個步驟直到客戶端把連接關閉為止。我們可以把“Reading”和“Writing”看作NioEchoSession的兩個狀態，這樣可以用一個有限狀態機來描述它的行為，如下圖所示：
Figure 3
接下來的工作就是如何實現這個有限狀態機了。在這個例子中，我們使用State模式來實現它。下面這張UML類圖描述了NioEchoSession的設計細節。
Figure 4
NioEchoSession所處的狀態由EchoState這個抽象類來表現，其兩個子類分別對應了“Reading”和“Writing”這兩個狀態。NioEchoSession會將process()和interestOps()這兩個方法delegate給EchoState來處理，這樣，當NioEchoSession處於不同的狀態時，就會有不同的行為。
Listing 4是EchoState的實現。EchoState定義了process()和interestOps()這兩個抽象的方法來讓子類實現。NioEchoSession中的process()方法會被delegate到其當前EchoState的process()方法，NioEchoSession本身也會作為一個描述context的參數被送入EchoState的process()方法中。EchoState定義的interestOps()方法則會在NioEchoSession注冊和轉變State的時候被用到。
EchoState還定義了兩個靜態的方法來返回預先創建好的ReadState和WriteState，這樣做的好處是可以避免在NioEchoSession轉換state的時候創建一些不必要的對象從而影響性能。然而，這樣做要求state類必須是無狀態的，狀態需要保存在context類，也就是NioEchoSession中。
Listing 4:
public abstract class EchoState {
public abstract void process(NioEchoSession s) throws IOException;
public abstract int interestOps();
public static EchoState readState() {
return _read;
}
public static EchoState writeState() {
return _write;
}
protected static EchoState _read = new ReadState();
protected static EchoState _write = new WriteState();
}
Listing 5是NioEchoSession的實現。NioEchoSession包含有一個SocketChannel，這個channel注冊後得到的SelectionKey，一個用於存放數據的ByteBuffer和一個記錄當前state的EchoState對象。在初始化時，EchoState被初始化為一個ReadState。NioEchoSession把process()方法和interestOps()方法都delegate到當前的EchoState中。其setState()方法用於切換當前state，在切換state後，NioEchoSession會通過SelectionKey更新注冊的interestOps。close()方法用於關閉這個NioEchoSession對象。
Listing 5:
public class NioEchoSession implements NiOSession {
public NioEchoSession(SocketChannel c) {
_channel = c;
_buf = ByteBuffer.allocate(128);
_state = EchoState.readState();
}
public void registered(SelectionKey key) {
_key = key;
}
public void process() {
try {
_state.process(this);
} catch (IOException ex) {
close();
throw new Error(ex);
}
}
public SelectableChannel channel() {
return _channel;
}
public int interestOps() {
return _state.interestOps();
}
public void setState(EchoState state) {
_state = state;
_key.interestOps(interestOps());
}
public void close() {
try {
_channel.close();
} catch (IOException ex) {
throw new Error(ex);
}
}
protected SocketChannel _channel = null;
protected SelectionKey _key;
protected ByteBuffer _buf = null;
protected EchoState _state = null;
}
Listing 6和Listing 7分別是ReadState和WriteState的實現。ReadState在process()中會先從NioEchoSession的channel中讀取數據，如果未能讀到數據，NioEchoSession會繼續留在ReadState；如果讀取出錯，NioEchoSession會被關閉；如果讀取成功，NioEchoSession會被切換到WriteState。WriteState則負責將NioEchoSession中已經讀取的數據寫回到channel中，全部寫完後，NioEchoSession會被切換回ReadState。
Listing 6:
public class ReadState extends EchoState {
public void process(NioEchoSession s)
throws IOException
{
SocketChannel channel = s._channel;
ByteBuffer buf = s._buf;
int count = channel.read(buf);
if (count == 0) {
return;
}
if (count == -1) {
s.close();
return;
}
buf.flip();
s.setState(EchoState.writeState());
}
public int interestOps() {
return SelectionKey.OP_READ;
}
}
Listing 7:
public class WriteState extends EchoState {
public void process(NioEchoSession s)
throws IOException
{
SocketChannel channel = s._channel;
ByteBuffer buf = s._buf;
channel.write(buf);
if (buf.remaining() == 0) {
buf.clear();
s.setState(EchoState.readState());
}
}
public int interestOps() {
return SelectionKey.OP_WRITE;
}
}
NioEchoServer(Listing 8)被用來啟動和關閉一個TCP Echo Server，這個類實現了Runnable接口，調用其run()方法就啟動了Echo Server。其shutdown()方法被用來關閉這個Echo Server，注意shutdown()和run()的finally block中的同步代碼確保了只有當Echo Server被關閉後，shutdown()方法才會返回。
Listing 8:
public class NioEchoServer implements Runnable {
public void run() {
try {
ServerSocketChannel serv = ServerSocketChannel.open();
try {
serv.socket().bind(new InetSocketAddress(7));
serv.configureBlocking(false);
_worker = new NioWorker(Selector.open());
NioServerSession s = new NiOServerSession(serv, _worker);
_worker.add(s);
_worker.run();
} finally {
_worker.closeAllChannels();
synchronized (this) {
notify();
}
}
} catch (IOException ex) {
throw new Error(ex);
}
}
public synchronized void shutdown() {
_worker.stop();
try {
wait();
} catch (InterruptedException ex) {
throw new Error(ex);
}
}
protected NioWorker _worker = null;
}
最後，通過一個簡單的main()函數(Listing 9)，我們就可以運行這個Echo Server了。
Listing 9:
public static void main(String [] args) {
new NioEchoServer().run();
}
我們可以通過telnet程序來檢驗這個程序的運行狀況：
1． 打開一個命令行，輸入 telnet localhost 7 來運行一個telnet程序並連接到Echo Server上。
2． 在telnet程序中輸入字符，可以看到輸入的字符被顯示在屏幕上。（這是因為Echo Server將收到的字符寫回到客戶端）
3． 多打開幾個telnet程序進行測試，可以看到Echo Server能通過NIO API用一個Thread服務多個客戶端。
作者：DaiJiaLin
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