从简单I/O到异步非阻塞channel的Java Socket模型演变之旅
上世纪九十年代后期，我在一家在线视频游戏工资工作，在哪里我主要的工作就是编写Unix Unix Berkley Socket和Windows WinSock代码。我的任务是确保视频游戏客户端和一个游戏服务器通信。很幸运有这样的机会写一些Java Socket代码，我对Java流式网络编程和简洁明了的API着迷。这一点都不让人惊讶，Java最初就是设计促进智能设备之间的通信，这一点很好的转移到了桌面应用和服务器应用。
1996年，JavaWorld刊登了Qusay H. Mahmoud的文章”Sockets programming in Java: A tutorial“。文章概述了Java的Socket编程模型。从那以后的18年，这个模型少有变化。这篇文章依然是网络系统Java socket编程的入门经典。我将在此基础之上，首先列出一个简单的客户端/服务器例子，开启Java I/O谦卑之旅。此例展示来自java.io包和NIO——Java1.4引起的新的非阻塞I/O API的特性，最后一个例子会涉及Java 7引入的 NIO2 某些特性。
Java的Socket编程：TCP和UDP
Socket编程拆分为两个系统之间的相互通信，网络通信有两种方式：ransport Control Protocol（TCP）和User Datagram Protocol（UDP）。TCP和UDP用途不一，并且有各自独特的约束：
TCP协议相对简单稳定，可以帮助客户端与一台服务器建立连接，这样两个系统就可以通信。在TCP协议中，每个实体都能保证其通信载荷（communication payload）会被接受。 UDP是一种非连接协议，适用于那些无需保证每个包都能抵达终点的场景，比如流媒体。如何区分这两者的差异？试想，倘若你在自己喜欢的网站上观看流媒体视频，这时掉帧会发生什么。你是倾向于客户端放缓视频接收丢失的帧，还是继续观看视频呢？典型的流媒体协议采用UDP协议，因为TCP协议保障传输，HTTP、FTP、SMTP、POP3等协议会选择TCP。
以往的Socket编程
早在NIO以前，Java TCP客户端socket代码主要由java.net.Socket类来实现。下面的代码开启了一个对服务器的连接：
Socket socket = new Socket( server, port );
一旦Socket实例与服务器相连，我们就可以获得服务器端的输入输出流。输入流用来读取服务器端的数据，输出流用来将数据写回到服务器端。可以执行以下的方法获取输入输出流:
InputStream in = socket.getInputStream(); OutputStream out = socket.getOutputStream();
这是基本的流——用来读取或者写入一个文件的流是相同的，所以我们能够将其转换成最好的形式服务于用例中。比如，我们可以用一个PrintStream 包装 OutputStream，这样我们就能轻易地用println()等方法对文本进行写的操作。再比如，我们用BufferedReader包装 InputStream，再通过InputStreamReader可以很容易的用readLine()等方法对文本进行读操作。
Java I/O示例第一部分：HTTP客户端
通过一个简短的例子来看如何执行HTTP GET获取一个HTTP服务。HTTP比本例更加复杂成熟，在我们只写一个客户端代码去处理简单案例。发出一个请求，从服务器端获取一个资源，同时服务器端返回响应，并关闭流。本案例所需的步骤如下：
创建端口为80的网络服务器所对应的客户端Socket。 从服务器端获取一个PrintStream，同时发送一个GET PATH HTTP/1.0请求，其中PATH就是服务器上的请求资源。比如，假设你想打开一个网站根目录，那么path就是 / 。 获取服务器端的InputStream，用一个BufferedReader将其包装，然后按行读取响应。列表1、 SimpleSocketClientExample.java
package com.geekcap.javaworld.simplesocketclient;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
public class SimpleSocketClientExample
{
public static void main( String[] args )
{
if( args.length < 2 )
{
System.out.println( "Usage: SimpleSocketClientExample <server> <path>" );
System.exit( 0 );
}
String server = args[ 0 ];
String path = args[ 1 ];
System.out.println( "Loading contents of URL: " + server );
try
{
// 创建与端口为80的网络服务器对应的客户端socket
Socket socket = new Socket( server, 80 );
//从服务器端获取一个PrintStream
PrintStream out = new PrintStream( socket.getOutputStream() );
//获取服务器端的InputStream，用一个BufferedReader将其包装
BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader( socket.getInputStream() ) );
//发送一个GET PATH HTTP/1.0请求到服务器端
out.println( "GET " + path + " HTTP/1.0" );
out.println();
//按行的读取服务器端的返回的响应数据
String line = in.readLine();
while( line != null )
{
System.out.println( line );
line = in.readLine();
}
// 关闭流
in.close();
out.close();
socket.close();
}
catch( Exception e )
{
e.printStackTrace();
}
}
}
列表1接受两个命令行参数：需要连接的服务器，需要取回的资源。创建一个Socket指向服务器端，并且显式地为其指定端口号80，接着程序会指向这个命令：
GET PATH HTTP/1.0
比如
GET / HTTP/1.0
这个过程中发生了什么？
当你准备从一个web服务器获取一个网页，比如 www.google.com， HTTP client利用DNS服务器去获取服务器地址：从最高域名服务器开始查询com域名，哪里存有 www.google.com 的权威域名服务器，接着 HTTP client询问域名服务器 www.google.com 的IP地址。接下来，它会打开一个Socket通向端口80的服务器。最后， HTTP Client执行特定的HTTP方法，比如GET、POST、PUT、DELETE、HEAD 或者OPTI/ONS。每种方法都有自己的语法，如上述的代码列表中，GET方法后面依次需要一个path、HTTP/版本号、一个空行。如果想加入 HTTP headers，我们必须在进入新的一行之前完成。
在列表1中，获取了一个 OutputStream，并用 PrintStream 包装了它，这样我们就能容易的执行基于文本的命令。 同样，从 InputStream 获取的代码，InputStreamReader 包装之后，流被转化成一个Reader，再用 BufferedReader 包装。这样我们就能用PrintStream执行GET方法，用BufferedReader 按行读取响应直到获取的响应为 null 时结束，最后关闭Socket。
现在我们执行这个类，传入以下的参数：
java com.geekcap.javaworld.simplesocketclient.SimpleSocketClientExample www.javaworld.com /
你应该能够看到类似下面的输出：
Loading contents of URL: www.javaworld.com HTTP/1.1 200 OK Date: Sun, 21 Sep 2014 22:20:13 GMT Server: Apache X-Gas_TTL: 10 Cache-Control: max-age=10 X-GasHost: gas2.usw X-Cooking-With: Gasoline-Local X-Gasoline-Age: 8 Content-Length: 168 Last-Modified: Tue, 24 Jan 2012 00:09:09 GMT Etag: "60001b-a8-4b73af4bf3340" Content-Type: text/html Vary: Accept-Encoding Connection: close <!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head> <meta charset="utf-8" /> <title>Gasoline Test Page</title> </head> <body> <br><br> <center>Success</center> </body> </html>
本输出显示了JavaWorld网站测试页面，网页HTTP version 1.1，响应200 OK.
Java I/O示例第二部分：HTTP服务器
刚才我们说了客户端，幸运的是，服务器端的通信也是很容易。从一个简单的视角看，处理过程如下:
创建一个ServerSocket，并指定一个监听端口。 调用 ServerSocket的 accept() 方法监听来自客户端的连接。 一旦有客户端连接服务器，accept() 方法通过服务器与客户端通信，返回一个Socket。在客户端用过同样的Socket类，那么处理过程相同，获取 InputStream 读取客户端信息，OutputStream 写数据到客户端。 如果服务器需要扩展，你需要将Socket传给其他的线程去处理，因此服务器可以持续的监听后来的连接。 再次调用 ServerSocket的 accept() 方法监听其它连接。正如你所看到的，NIO处理此场景略有不同。可以直接创建ServerSocket，并将一个端口号传给它用于监听（关于 ServerSocketFactory 的更多信息会在后面讨论）：
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket( port );
通过 accept() 方法接收传入的连接：
Socket socket = serverSocket.accept(); // 处理连接……
多线程Socket编程
在如下的列表2中，所有的服务器代码放在一起组成一个更加健壮的例子，本例中线程处理多个请求。服务器是一个ECHO服务器，就是说会将所有接收到的消息返回。
列表2中的例子不是很复杂，但已经提前介绍了一部分NIO的内容。在线程代码上花费一些精力，是为了构建一个处理多并发请求的服务器。
列表2、SimpleSocketServer.java
package com.geekcap.javaworld.simplesocketclient;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.I/OException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class SimpleSocketServer extends Thread
{
private ServerSocket serverSocket;
private int port;
private boolean running = false;
public SimpleSocketServer( int port )
{
this.port = port;
}
public void startServer()
{
try
{
serverSocket = new ServerSocket( port );
this.start();
}
catch (I/OException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
public void stopServer()
{
running = false;
this.interrupt();
}
@Override
public void run()
{
running = true;
while( running )
{
try
{
System.out.println( "Listening for a connection" );
// 调用 accept() 处理下一个连接
Socket socket = serverSocket.accept();
// 向 RequestHandler 线程传递socket对象进行处理
RequestHandler requestHandler = new RequestHandler( socket );
requestHandler.start();
}
catch (I/OException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main( String[] args )
{
if( args.length == 0 )
{
System.out.println( "Usage: SimpleSocketServer <port>" );
System.exit( 0 );
}
int port = Integer.parseInt( args[ 0 ] );
System.out.println( "Start server on port: " + port );
SimpleSocketServer server = new SimpleSocketServer( port );
server.startServer();
// 1分钟后自动关闭
try
{
Thread.sleep( 60000 );
}
catch( Exception e )
{
e.printStackTrace();
}
server.stopServer();
}
}
class RequestHandler extends Thread
{
private Socket socket;
RequestHandler( Socket socket )
{
this.socket = socket;
}
@Override
public void run()
{
try
{
System.out.println( "Received a connection" );
// 获取输入和输出流
BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader( socket.getInputStream() ) );
PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream() );
// 向客户端写出头信息
out.println( "Echo Server 1.0" );
out.flush();
// 向客户端回写信息，直到客户端关闭连接或者收到空行
String line = in.readLine();
while( line != null && line.length() > 0 )
{
out.println( "Echo: " + line );
out.flush();
line = in.readLine();
}
// 关闭自己的连接
in.close();
out.close();
socket.close();
System.out.println( "Connection closed" );
}
catch( Exception e )
{
e.printStackTrace();
}
}
}
在列表2中，我们创建了一个新的 SimpleSocketServer 实例，并开启了这个服务器。继承 Thread 的 SimpleSocketServer 创建一个新的线程，处理存在于 run() 方法中的阻塞方法 accept() 调用。
run() 方法中存在一个循环，用来接收客户端请求，并创建RequestHandler线程去处理这些请求。再次强调，这是一个相对简单的编程，但涉及了相当的线程编程。
RequestHandler 处理客户端通信代码与列表1相似：PrintStream 包装后的 OutputStream 更容易进行写操作。同 样，BufferedReader 包装后的InputStream 更易于读取。只要服务器在跑，RequestHandler 就会将客户端的信息按行读取，并将它们返回给客户端。如果客户端发过来的是空行，那对话就结束了，RequestHandler 关闭Socket 。
NIO、NIO2 Socket编程
对于多数应用而言，Java基础的Socket编程，我们已经做了充分的探讨。对于涉及到高强度的 I/O 或者异步输入输出，大家就有了熟悉Java NIO和NIO.2中非阻塞API的需要。
JDK1.4 NIO包提供了如下重要特性：
Channel 被设计用来支持块（bulk）转移，从一个NIO转到另一个NIO。 Buffer 提供了连续的内存块，由一组简单的操作提供接口。 非阻塞I/O 是一组class文件，它们可以将 Channel 开放给普通的I/O资源，比如文件和Socket。用NIO编码时，你可以打开一个到目的地的Channel，接着从目的地读取数据到一个buffer中；写入数据到一个buffer中，接着将其发送到目的地。我会创建一个Socket，并为此获取一个Channel。但首先让我们回顾一下buffer的处理流程：
写数据到一个buffer中。 调用buffer的 flip() 方法准备读的操作。 从buffer中读取数据。 调用buffer中的 clear() 或者 compact() 方法准备读取更多的数据。当数据写入buffer后，buffer知道写入其中的数据量。它维护了三个属性，在读模式和写模式中其含义不尽相同。
Position：在写模式中，初始position值为0，它存储的是写入buffer后的当前位置；一旦flip一个buffer使其进入读模式，它会将位置的值重置为0，然后存储读取buffer后的当前位置。 Capacity：指的是buffer的固定大小。 Limit：在写模式中，limit定义了写入buffer的数据大小；在读模式中，limit定义了可以从buffer中读取的数据大小。Java I/O示例第三部分：基于NIO.2的ECHO服务器
JDK 7引入的NIO.2添加了非阻塞I/O库去支持文件系统任务，比如 java.nio.file 包和 java.nio.file.Path 类，并提供了一个 新的文件系统API。记住，我们采用IO.2 AsynchronousServerSocketChannel 写一个新的ECHO服务器。
”NIO在提供处理性能方法大放异彩，但NIO的结果跟底层平台紧密相连。比如，或许你会发现，NIO加速应用性能不光取决于OS，还跟特定的JVM有关，主机的虚拟化上下文、大存储特性、甚至数据……”
——摘自”Five ways to maximize Java NIO and NIO.2“
AsynchronousServerSocketChannel 提供了一个非阻塞异步Channel作为流定向监听的Socket。为了用这个Channel，首先需要执行它的 open() 静态方法。然后调用 bind() 为其绑定一个端口号。接着，将一个实现CompletionHandler接口的类传给 accept() 并执行。多数时候，你会发现 handler作为匿名内部类被创建。
列表3显示新的异步ECHO服务器源码。
列表3、SimpleSocketServer.java
package com.geekcap.javaworld.nio2;
import java.io.I/OException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;
public class NioSocketServer
{
public NioSocketServer()
{
try
{
// 创建一个 AsynchronousServerSocketChannel 侦听 5000 端口
final AsynchronousServerSocketChannel listener =
AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(5000));
// 侦听新的请求
listener.accept( null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,Void>() {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel ch, Void att)
{
// 接受下一个连接
listener.accept( null, this );
// 向客户端发送问候信息
ch.write( ByteBuffer.wrap( "Hello, I am Echo Server 2020, let's have an engaging conversation!n".getBytes() ) );
// 分配(4K)字节缓冲用于从客户端读取信息
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate( 4096 );
try
{
// Read the first line
int bytesRead = ch.read( byteBuffer ).get( 20, TimeUnit.SECONDS );
boolean running = true;
while( bytesRead != -1 && running )
{
System.out.println( "bytes read: " + bytesRead );
// 确保有读取到数据
if( byteBuffer.position() > 2 )
{
// 准备缓存进行读取
byteBuffer.flip();
// 把缓存转换成字符串
byte[] lineBytes = new byte[ bytesRead ];
byteBuffer.get( lineBytes, 0, bytesRead );
String line = new String( lineBytes );
// Debug
System.out.println( "Message: " + line );
// 向调用者回写
ch.write( ByteBuffer.wrap( line.getBytes() ) );
// 准备缓冲进行写操作
byteBuffer.clear();
// 读取下一行
bytesRead = ch.read( byteBuffer ).get( 20, TimeUnit.SECONDS );
}
else
{
// 在我们的协议中，空行表示会话结束
running = false;
}
}
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
catch (ExecutionException e)
{
e.printStackTrace();
}
catch (TimeoutException e)
{
// 用户达到20秒超时，关闭连接
ch.write( ByteBuffer.wrap( "Good Byen".getBytes() ) );
System.out.println( "Connection timed out, closing connection" );
}
System.out.println( "End of conversation" );
try
{
// 如果需要，关闭连接
if( ch.isOpen() )
{
ch.close();
}
}
catch (I/OException e1)
{
e1.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Void att) {
///...
}
});
}
catch (I/OException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
public static void main( String[] args )
{
NioSocketServer server = new NioSocketServer();
try
{
Thread.sleep( 60000 );
}
catch( Exception e )
{
e.printStackTrace();
}
}
}
在列表3中，我们首先创建了一个新的AsynchronousServerSocketChannel，然后为其绑定端口号5000：
final AsynchronousServerSocketChannel listener =
AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(5000));
调用 AsynchronousServerSocketChannel 的 accept()，通知其监听一个连接，并将一个典型的CompletionHandler传给它。一旦调用 accept()，结果会立即返回。注意，本例不同于列表2中的ServerSocket类；除非一个客户端与ServerSocket相连，否则accept()会被阻塞。AsynchronousChannelGroup 的 accept() 会为我们解决这个问题。
完整的Handler处理
接 下来的主要任务就是创建一个 CompletionHandler 类，并实现 completed() 和 failed() 方法。当 AsynchronousServerSocketChannel 接收一个客户端连接，这个连接包含一个连接客户端的 AsynchronousSocketChannel，completed()方法就会被调用。completed()方法第一次被调用从AsynchronousServerSocketChannel 处接收连接，开始与客户端进行通信。首先它做的事情向客户端写入一个“hello”消息：建立一个字符串，并将其转换成字节数组并将其传给 ByteBuffer.wrap()，完了构造一个ByteBuffer。接着ByteBuffer传给 AsynchronousSocketChannel的 write() 方法。
为了更够从客户端那里读取数据，我们创建了一个新的ByteBuffer，并调用它的allocate(4096)。接 着我们调用了AsynchronousSocketChannel的 read() 方法，此方法会返回一个 Future<Integer>，调用后者的 get() 方法可以获取读自客户端的字节数。在本例中，我们传递了20秒的timeout参数给 get()；如果20分钟没有得到响应，那 get() 就会抛出一个TimeoutException。本回响服务器的应对策略是，如果20秒没有响应，就终止这个对话。
异步计算中的Future
“The Future<V>接口显示一个异步计算的结果，此结果作为一个Future，因为它直到未来的某个时刻才存在。你可以调用它的方法去取消一个任务，返回任务的结果——如果任务没有完成，无限等待或者超时退出——并且决定任务是否已取消或者完成……”。
——摘自”Java concurrency without the pain, Part 1“
接下来我们会检测buffer的position，它会定位到最后一个来自客户端的byte。倘若客户端发来的是一个空行，接收两个字节：一个回车和一个换行。检测确保客户端发出一个空白行，我们以此作为客户端对话结束的信号。如果我们拥有有意义的数据，那我们就调用ByteBuffer的 flip() 方法去进入读的状态。我们可以创建一个临时byte数组去存储读自客户端的数据，然后调用ByteBuffer的 get() 加载数据到byte数组中。最后，我们通过创建一个新的String对象将数组转换成一行字符串。我们将这行字符串返回给客户端：将字符串line转换成一个byte数组，作为参数传递给 ByteBuffer.wrap()，然后调用 AsynchronousSocketChannel的write() 方法。接着调用ByteBuffer的clear()，这样position被重置为0并将ByteBuffer置于写的模式，接着我们读取客户端下一行。
需要注意的是 main() 方法。它 创建了服务器，同时创建了一个让应用跑60秒的计时器。这是因为AsynchronousSocketChannel的 accept() 会理解返回，如果线程 Thread.sleep() 不执行，应用将会立即停止。为了进行测试，启动服务器后用telnet客户端进行连接：
telnet localhost 5000
发送少量的字符串给服务器，观察它们向你返回结果，然后发送一个空行结束对话。
结语
ITJS的这篇文章展示了两种Socket Java编程方式：传统的Java 1.0引入的编写方式，Java 1.4和Java 7中分别引入的非阻塞 NIO 和 NIO.2 方式。采用客户端服务器几次迭代的例子，展示了基本 Java I/O的使用，以及一些场景下非阻塞I/O对Java socket编程模型的改进和简化。利用非阻塞I/O，你可以编写网络应用来处理多并发连接，而无需管理多线程集合。同样，你也可以利用构建在NIO和 NIO.2上新的服务器扩展特性。