1、第四章 非阻塞通信,主要内容,线程阻塞的概念 Java.nio包中类的介绍： ServerSocketChannel SocketChannel Selector/SelectionKey/ByteBuffer等 阻塞模式与非阻塞模式的实现,4.1线程阻塞的概念,处于阻塞状态的线程共同特征： 1、放弃CPU,暂停运行，只有等待导致阻塞的原因消除，才能恢复运行； 2、或者被其他线程中断，该线程会退出阻塞状态，并且抛出InterruptedException,4.1线程阻塞的原因,1、线程执行Thread.sleep(int n)； 2、线程要执行一段同步代码 3、线程执行了一个对象的wait()
2、方法，只有其他线程执行了该对象的notify()或notifyAll()方法，才能将其唤醒 4、线程执行I/O操作，如ReadLine之类的方法。,客户程序线程进入阻塞状态的情况,1、客户程序与服务器建立连接时，会进入阻塞状态，直到连接成功，线程才返回 2、线程从Socket的输入流读入数据时，如果没有足够的数据，就进入阻塞状态，直到读到足够数据，或到达输入流末尾，或者异常，才会返回。输入流的不同读方法: int read()：输入一个字节就足够 int read(byte buff)：输入流字节数和数组长度相同 String readLine()：输入流中有一行字符串就足够，需要Buffer
3、Reader的此方法。,客户程序线程进入阻塞状态的情况,3、线程从Socket的输出流写数据时，可能进入阻塞状态，等待输出了所有数据或者出现异常，才从输出流的write()方法返回或者异常中断 4、调用Socket的close()方法时如果设置了关闭Socket的延迟时间，会进入阻塞，直到底层 Socket发完所有数据，或者超过setSoLinger()方法设置的延迟时间，才从close()方法返回。,服务器程线程进入阻塞状态的情况,1、线程执行ServerSocket的accept()方法 2、线程从Socket的输入流读入数据，同客户端 3、线程从Socket的输出流写出数据，同客户端综上
4、，通过Socket的输入输出流来读写数据时，都可能进入阻塞状态。这种可能出现阻塞的输入输出操作称为阻塞I/O 与此对照，如果这种输入输出流读写操作不发生阻塞，则称为非阻塞I/O,4.1.2服务器多线程处理阻塞通信局限,创建ServerSocket,接收连接accept,委派任务给工作线程,等待任务,接收请求数据,发送响应数据,关闭连接,通信结束？,否,主线程,工作线程,红色标志步骤为可能阻塞，一旦阻塞，需要转让线程CPU使用权,4.1.2服务器多线程处理阻塞通信局限,局限： 每个线程分配独立的堆栈空间，线程调度、同步、死锁可能 很多时间浪费在阻塞IO操作上，线程切换频繁,非阻塞通信的基本思想,
5、一心多用 轮询while 处理流程 While(一直等待，直到有接收连接就绪事件、读就绪事件、写就绪事件发生)/阻塞 If(有客户连接)接收客户连接；/非阻塞 If(Socket输入流有可读数据)从输入流中读数据； /非阻塞 If(Socket输出流可写数据)向输出流中写数据； /非阻塞,Java.nio包中的主要类,以下支持阻塞和非阻塞通信的类 ServerSocketChannel:ServerSocket的替代类,支持阻塞与非阻塞通信SocketChannel:Socket的替代类，同上Selector：为ServerSocketChannel监控接收连接就绪事件，为SocketChan
6、nel监控连接就绪、读就绪、写就绪事件。,Java.nio包中的主要类,SelectionKey：代表ServerSocketChannel 和SocketChannel向Selector注册事件的句柄，当一个SelectionKey对象位于Selector对象的selected-keys集合中时，就表示与这个SelectionKey对象相关的事件发生了。,Java.nio包中的主要类,如何注册事件的呢？ ServerSocketChannel向Selector注册接收连接就绪事件的代码如下：注册事件过程 SelectionKey key = serverSocketChannel.regis
7、ter(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);,Java.nio包中的主要类,interface Channel,interface ByteChannel,SelectableChannel,ServerSocketChannel,SocketChannel,ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类， SelectableChannel及其子类都能委托Selector来监控它们可能发生的一些事件，这个委托过程也称为注册事件过程,SelectionKey类静态常量事件类型,SelectionKe
8、y的一些静态常量表示事件类型 ServerSocketChannel只可能发生一种事件： SelectionKey.OP_ACCEPT：接收就绪事件，表示至少有一个客户连接，服务器可以接收连接。,SelectionKey类静态常量事件类型,SocketChannel可能发生三种事件：SelectionKey.OP_CONNECT：连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经成功建立了。 SelectionKey.OP_READ：读就绪事件，输入流中已有可读数据，可以执行读操作了 SelectionKey.OP_WRITE：写就绪事件，可以向输出流写数据了。,SocketChannel的接收和发送数
9、据方法,read(ByteBuffer buffer)：接收数据，并将数据存到参数指定的ByteBuffer中。 write(ByteBuffer buffer)：将参数指定的buffer中的数据发送出去。ByteBuffer表示字节缓冲区，两个方法都会操作它。继承于Buffer类。是特定的基本类型元素的线性、有限序列 ByteBuffer中存放的是字节，为转换为字符串，还需要用到Charset类，表示字符编码，提供了从字节流转换为字符串和字符串转换为字节流的方法。,缓冲区Buffer,数据输入输出往往是比较耗时的操作。缓冲区可以从两个方面提高IO操作的效率 减少实际的物理读写次数。 缓冲区在
10、创建时被分配内存，这块内存一直被重用，减少动态分配和回收的次数。 缓冲区属性： 容量(capacity)、限制(limit)、位置(position).对应的方法：clear()、flip()、rewind(),缓冲区Buffer,容量(capacity)：表示缓冲区可以保存多少数据 限制(limit)：表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区中超过极限的区域进行读写操作，是不应读取或写入的第一个元素的索引 位置(position)：是下一个要读取或写入的元素的索引,改变属性,clear()方法：清除此缓冲区。将位置设置为零，限制设置为该容量，并且丢弃标记。 在使用序列信道读取或 put 操作填充此
11、缓冲区之前调用此方法。例如： buf.clear(); / Prepare buffer for reading in.read(buf); / Read data 此方法不能实际擦除缓冲区中的数据，但从名称来看似乎能够擦除，因为它多数情况下确实是在擦除数据时使用的,改变属性,filp()方法：反转此缓冲区。首先对当前位置设置限制，然后将该位置设置为零。如果已定义了标记，则丢弃该标记。 在序列信道读取或 put 操作之后，调用此方法以做好序列信道写入或相对 get 操作。例如： buf.put(magic); / Prepend header in.read(buf); / Read data
12、 into rest of buffer buf.flip(); / Flip buffer out.write(buf); / Write header + data to channel,改变属性,rewind()方法：使缓冲区做好了重新读取已包含的数据的准备：它使限制保持不变，并将位置设置为零 。 重绕此缓冲区。将位置设置为零并丢弃标记。 在序列信道写入或 get 操作之前调用此方法（假定已经适当设置了限制）。例如： out.write(buf); / Write remaining databuf.rewind(); / Rewind buffer buf.get(array); /
13、Copy data into array,Bufferdemo,import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel;,Bufferdemo,public class BufferDemo public static void main(String args) throws Exception. /分配一个非直接缓冲区 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate
14、(100); /向缓冲区写入0到100的字节制 for(int i = 0; i 100; i+). byte b = (byte) (Math.random() * 100); bb.put(b); System.out.println(“写入文件前的缓冲区数据“); bb.flip(); while(bb.hasRemaining() System.out.print(bb.get() + “ “); System.out.println(“读取缓冲区数据完毕”);,Bufferdemo,/获取一个关联到文件buffer.txt的信道 FileChannel fc = new FileOu
15、tputStream(“buffer.txt“).getChannel(); /将缓冲区数据写到文件中 bb.flip(); fc.write(bb); /防止缓存 fc.force(true); /关闭信道 fc.close(); bb = null; fc = null;,Bufferdemo,/下面从文件中读取数据 fc = new FileInputStream(“buffer.txt“).getChannel(); ByteBuffer bb2 = ByteBuffer.allocate(int) fc.size(); fc.read(bb2); System.out.println
16、(“从文件读取的缓冲区数据“); bb2.flip(); while(bb2.hasRemaining() System.out.print(bb2.get() + “ “); System.out.println(); fc.close(); bb2 = null; fc = null; ,缓冲区Buffer的创建方法,Buffer类是一个抽象类，共有8个具体缓冲类，其中最基本的缓冲区是ByteBuffer，它存放的数据单元是字节。 ByteBuffer类并没有提供公开的构造方法，但是提供了两个获得ByteBuffer实例的静态工厂方法 allocate(int capacity):返回一个
17、容量大小为capacity的缓冲区 directAllocate(int capacity):返回一个容量大小为capacity的直接缓冲区，开销相对大，只有当缓冲区较大并长期存在，或经常需要重用,缓冲区Buffer的读写方法,get():相对读。从缓冲区的当前位置读取一个单元的数据，读完后位置加一； get(int index). put():相对写。向缓冲区的当前位置写入一个单元的数据，然后位置加一； put(int index). 还有一个compact()方法：将已读或写的数据删除，然后将剩下的数据放到0至limit-position区域,缓冲区Buffer的创建方法,Buffer类是
18、一个抽象类，共有8个具体缓冲类，其中最基本的缓冲区是ByteBuffer，它存放的数据单元是字节。 提示： 计算机中信息的存储单位 （1）位（Bit）：表示一个二进制数码0或1，是计算机存储处理信息的最基本的单位。 （2）字节（Byte）：一个字节由8个位组成。它表示作为一个完整处理单位的8个二进制数码。现目前计算机上多使用美国国家信息交换标准代码ASCII编码（由美国国家标准委员会制定） 如：字符“A”的二进制编码是“0100 0001”即41H或65D “#”的二进制编码是“0010 0011”即23H或35D （3）字（Word）：16个位为一个字，它代表计算机处理指令或数据的二进制数位
19、数，是计算机进行数据存储和数据处理的运算单位。通常称16位是一个字，32位是一个双字，64位是两个双字。,字符编码Charset,ByteBuffer encode(String str) ByteBuffer encode(CharBuffer cb)CharBuffer decode(ByteBuffer bb)创建方法： Charset cs = Charset.forName(“GBK”);,通道,通道用来连接缓冲区与数据源或者数据汇,Java.nio包中Channel的主要层次结构,interface Channel,interface ByteChannel,SelectableC
20、hannel,ServerSocketChannel,SocketChannel,interface ReadableByteChannel,interface WritableByteChannel,interface ScatteringByteChannel,interface GatheringByteChannel,interface FileChannel,java.nio.channels.Channel只声明了两个方法 1、close() 2、isOpen(). 通道在创建时被打开，一旦关闭，就不能再打开了,Read(ByteBuffer bbs):把从数据源中读取的数据依次填
21、充到bbs中,Read(ByteBuffer bb),通道Channel,通道用来连接缓冲区与数据源或者数据汇,ReadableByteChannel,ByteBuffer,数据汇,WritableByteChannel,数据源,SelectableChannel类,是一种支持阻塞和非阻塞I/O的通道。 在非阻塞模式下，读写数据不会阻塞，并且它可以向Selector注册读就绪和写就绪事件，等到事件发生时，就可以进行相关操作了。 主要方法 : SelectableChannel configureBlocking(boolean block)：默认阻塞模式 public SelectionKey
22、 register(Selector sel, int ops) public SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object attachment)：附件对象为SelectionKey关联，当注册事件发生且需处理时，可从SelectionKey中获得这个附件，该附件可用来包含与处理该事件相关的信息：如下：,SelectableChannel类,案例一、 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); socketChannel.register(selector, SelectionKey.
23、OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE, buffer); /以下取得附件对象，请参看如下二案例二、 Target target = new Target(); target.channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT, target); /以下取得附件对象 Target target = (Target)selectionKey.attachment();,ServerSocketChannel类,继承SelectableChannel类的以下方法： SelectableChannel configureBlo
24、cking(boolean block) register(Selector sel, int ops,Object attachment) 每个该对象都与一个ServerSocket对象关联，并可通过以下方式把服务器进程绑定到一个本地端口：ServerSocketChannel. socket().bind(port) 是ServerSocket类的替代类，其他主要方法：,ServerSocketChannel类,3、public static ServerSocketChannel open()静态工厂方法： 返回ServerSocketChannel 对象，这个对象没有与任何本地端口进行
25、绑定，并处于阻塞工资模式。 如果希望改为非阻塞模式，则调用configureBlocking(false),ServerSocketChannel类,4、 public SocketChannel accept()： 类似ServerSocket的accept()方法，用于接收客户连接。如果ServerSocketChannel处于非阻塞模式，当没有客户连接时，立即返回null。否则会一直等，直到有客户连接才返回。 该方法返回的SocketChannel 对象是阻塞模式对象，如果需要改为非阻塞模式，必须执行： socketChannel.configureBlocking(false);,Se
26、rverSocketChannel类,5、 public int validOps() 返回ServerSocketChannel所能产生的事件6、public ServerSocket socket() 返回与ServerSocketChannel关联的ServerSocket对象，每个ServerSocketChannel对象都与一个ServerSocket对象关联。,SocketChannel类,继承SelectableChannel类的以下方法： public SelectableChannel configureBlocking(boolean block) register(Sel
27、ector sel, int ops) public SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object attachment),SocketChannel类,是Socket类的替代类,其连接和创建方法如下: public boolean connect(SocketAddress remote) public static SocketChannel open() public static SocketChannel open(SocketAddress remote)SocketChannel没有public类型的构造方法，必须通过它的
28、静态方法open()来创建SocketChannel对象 open也可以没有参数。有参数的会建立与远程服务器的连接。返回的对象处于阻塞模式，如果需要非阻塞，则需要调用该对象的configureBlocking(false)。,SocketChannel类,public final int validOps():返回SocketChannel所能产生的事件，3个。 public Socket socket(): 返回与SocketChannel关联的Socket对象，每个SocketChannel对象都与一个socket对象关联。 public boolean isConnected():判断底
29、层Socket是否已建立了远程连接。 public boolean isConnectionPending():判断是否正在进行连接。,SocketChannel类,public boolean connect(SocketAddress remote):使底层socket建立远程连接。当SocketChannel处于非阻塞模式时，如果立即连接成功，则返回true，否则返回false,之后必须使用finishConnect()方法来完成连接。 public boolean finishConnect():试图完成连接远程服务器的操作。在非阻塞模式下，建立连接从connect()方法开始，到调用
30、finishConnect()方法结束。而在阻塞模式下，如果连接没有完成，则会进入阻塞状态，直到连接完成或者异常。,SocketChannel类,实现了ByteChannel接口，所以实现以下方法： read(ByteBuffer dst) write(ByteBuffer src),SocketChannel类read/write方法,4、 int read(ByteBuffer dst): 从Channel中读入若干字节，把它们存放到参数指定的ByteBuffer中。,capacity,limit,position,r,socketChannel.read(ByteBuffer dst),
31、capacity,limit,position,r,n,Read()方法读入n个字节,SocketChannel类read/write方法,4、 int read(ByteBuffer dst): 在阻塞模式下，read()方法会争取读到r个字节，如果输入流中不足r个字节，就进入阻塞状态，直到读到r个字节，或者输入流末尾，或者异常,capacity,limit,position,r,socketChannel.read(ByteBuffer dst),capacity,limit,position,r,n,SocketChannel类read/write方法,4、 int read(ByteB
32、uffer dst): 在非阻塞模式下，read()方法会有多少读多少，总会立即返回，如果返回-1，就表示读到了输入流的末尾。,capacity,limit,position,r,socketChannel.read(ByteBuffer dst),capacity,limit,position,r,n,SocketChannel类read/write方法,5、 int write(ByteBuffer src): 把src指定的ByteBuffer中的字节写到Channel中。,capacity,limit,position,r,socketChannel.write(ByteBuffer
33、src),capacity,limit,position,r,n,write()方法写入n个字节,SocketChannel类read/write方法,5、 int write(ByteBuffer src): 在阻塞模式下，write方法会争取输出r个字节，如果底层网络的输出缓冲区不能容纳r个字节，就进入阻塞状态。,capacity,limit,position,r,socketChannel.write(ByteBuffer src),capacity,limit,position,r,n,write()方法写入n个字节,SocketChannel类read/write方法,5、 int
34、write(ByteBuffer src): 在非阻塞模式下，write方法会能输出多少就输出多少，然后立即返回。,capacity,limit,position,r,socketChannel.write(ByteBuffer src),capacity,limit,position,r,n,write()方法写入n个字节,Selector类,只要ServerSocketChannel及SocketChannel向Selector注册了特定的事件，Selector就会监控它们相关事件是否发生。一个Selector对象中包含3类SelectionKey集合： all-keys集合:当前所有向S
35、elector对象注册的SelectionKey的集合，Selector的keys()方法返回该集合 selected-keys 集合：相关事件已被selector捕获的selectionKey的集合，Selector的selectedKeys()方法返回该集合 Cancelled-keys集合：已经取消的selectionKey的集合，无方法访问该集合,Selector类,all-keys集合: 什么时候会加入SelectionKey对象呢？只要执行register方法！ 什么时候删除呢？不能使用该集合对象的remove方法，会引起异常，,Selector类,selected-keys集合:
36、 什么时候会加入SelectionKey对象呢？在执行Selector对象的select()方法时，如果注册的相关事件发生了，这个SelectionKey对象就会加入该集合 什么时候删除呢？可以直接调用其remove方法,Selector类,Cancelled-keys集合： 什么时候会加入SelectionKey对象呢？在执行SelectionKey对象的cancel()方法或者关闭了相关的Channel对象时，这个SelectionKey对象就会加入该集合 什么时候删除呢？再次执行Selector对象的select()方法时,Selector类,创建方法：public static Sel
37、ector open() public boolean isOpen()：取决于close方法 public void close():释放selector的占用资源 public int selectNow():返回当前事件已经发生的个数，采用非阻塞方式。,Selector类,public int select()或者select(long timeout) :返回当前事件已经发生的个数，采用阻塞方式，如果没有任何事件发生，就会阻塞下去，直到至少有一件事件发生,或者其他线程调用wakeup或超时。 wakeup():让线程中的select方法返回。 selectedKeys():返回sele
38、cted-keys集合，存放已经发生的相关事件的Selection-Key对象。,SelectionKey类,通过Channel对象的register方法创建该对象 其工作过程请结合三个SelectionKey集合来理解 SelectionKey定义了四种事件： SelectionKey.OP_ACCEPT:常量值为16 SelectionKey.OP_CONNECT:常量值为8 SelectionKey.OP_READ:常量值为1 SelectionKey.OP_WRITE:常量值为4 其相关方法：获取状态、关联对象、附件等,服务器编程范例,1、采用阻塞模式，用线程池中的工作线程处理每个客户
39、的连接：4-1例程 2、采用非阻塞模式，单个线程同时负责接收和响应请求： 4-2例程 3、一个线程用阻塞模式负责连接多个客户请求，另一个线程负责与多个客户进行数据交换： 4-3例程,创建阻塞的EchoServer,当ServerSocketChannel和SocketChannel采用默认的阻塞模式时，同样需要多个线程。如下：,创建阻塞的EchoServer,public EchoServer() throws IOException executorService= Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProc
40、essors() * POOL_MULTIPLE);serverSocketChannel= ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.socket().setReuseAddress(true);serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port);System.out.println(“服务器启动“);public void service() while (true) SocketChannel socketChannel=null;try socketChannel
41、 = serverSocketChannel.accept();executorService.execute(new Handler(socketChannel);catch (IOException e) e.printStackTrace(); ,创建阻塞的EchoServer,class Handler implements Runnableprivate SocketChannel socketChannel;public Handler(SocketChannel socketChannel) this.socketChannel=socketChannel; public voi
42、d run() handle(socketChannel); ,创建阻塞的EchoServer,public void handle(SocketChannel socketChannel)try Socket socket=socketChannel.socket();System.out.println(“接收到客户连接，来自: “ + socket.getInetAddress() + “:“ +socket.getPort();BufferedReader br =getReader(socket);PrintWriter pw = getWriter(socket);String m
43、sg = null;while (msg = br.readLine() != null) pw.println(echo(msg); if (msg.equals(“bye“) break; catch (IOException e) e.printStackTrace();finally try if(socketChannel!=null)socketChannel.close(); catch (IOException e) e.printStackTrace(); ,客户程序,public class EchoClientprivate SocketChannel socketCha
44、nnel = null;public EchoClient()throws IOExceptionsocketChannel = SocketChannel.open();InetAddress ia = InetAddress.getLocalHost();InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(ia,8000);socketChannel.connect(isa);System.out.println(“与服务器的连接建立成功“);public static void main(String args)throws IOException
45、new EchoClient().talk();,客户程序,public void talk()throws IOException tryBufferedReader br=getReader(socketChannel.socket();PrintWriter pw=getWriter(socketChannel.socket();BufferedReader localReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in);String msg=null;while(msg=localReader.readLine()!=nu
46、ll)pw.println(msg);System.out.println(br.readLine();if(msg.equals(“bye“)break; catch(IOException e) e.printStackTrace();finally trysocketChannel.close();catch(IOException e)e.printStackTrace(); ,创建非阻塞的EchoServer,在非阻塞模式下，EchoServer只要启动一个主线程，就能同时处理3件事： 1、接收客户连接 2、接收客户发送的数据 3、向客户发回响应数据EchoServer委托Selec
47、tor来负责监控接收连接就绪事件、读就绪事件、写就绪事件。,创建非阻塞的EchoServer,public class EchoServerprivate Selector selector = null;private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;private int port = 8000;private Charset charset=Charset.forName(“GBK“);public EchoServer()throws IOExceptionselector = Selector.open();/创建一个Se
48、lector对象serverSocketChannel= ServerSocketChannel.open();/创建ServerSocketChannelserverSocketChannel.socket().setReuseAddress(true);serverSocketChannel.configureBlocking(false);/使其为非阻塞模式工作serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port);System.out.println(“服务器启动“); ,创建非阻塞的EchoServer.service(),public void service() throws IOExceptionserverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );while (selector.select() 0 )Set readyKeys = selector.selectedKeys();Iterator it = readyKeys.iterator();while (it.hasNext()SelectionKey key=null;trykey = (SelectionKey) it.next();it.remove();,
