非阻塞套接字(Nonblocking Sockets) 概述

1/5/2008来源:Java教程人气:6353


  非阻塞套接字(Nonblocking sockets),自J2SE 1.4版引入,它答应网络通信在应用程序和没有阻塞的进程中使用套接字。在这篇文章中,将具体介绍什么是Nonblocking sockets,怎样工作及其用途。
  
  由于JSR 51的面世,从java 1.4起,程序员便能用一组新的API来进行I/O操作。自2000年一月的Java 1.4 beta版,程序员便可以使用JSR 51了。在Java 1.4中用一些最重要的新特征来处理诸如在文件和套接字上高性能的读/写操作,正规表达式,译码/编码字符集,内存映射和文件锁定。在这篇文章中,我们将讨论一个非凡的新概念――New I/O API: Nonblocking sockets。
  非阻塞套接字答应在通道上做输入/输出操作而不用阻塞使用该通道的进程。我正在讨论异步的高性能的读/写操作,同样,你将看到,翻转上下设计和开发基于接口的应用程序技巧。
  
  Java开发者也许会问,为什么介绍一种新的技术来处理套接字?Java 1.3.x的套接字又有哪些问题?假设实现服务器端接受不同的客户端的连接;同样,假设客户端能支持处理同步的多请求;那么,使用Java 1.3.x,开发这样的服务器端有两种不同的选择:
  ●实现多线程服务为每个连接用户处理线程。
  ●使用外部第三方模块。
  
  这两种方法都可以实现,但是假如适用第一种方法――整个线程治理方案,包括相关并发性和冲突问题――都需要靠程序员来处理。第二个方案也许花费更大,且使应用程序依靠“non-JDK”的外部模块。依靠非阻塞套接字,你能实现非阻塞的服务无需直接治理线程或者采用外部模块。
  
  Buffer
  在我们考虑非阻塞套接字以前,不得不花费一些字句在一个新的Java 1.4的类:java.nio.Buffer上。一个Buffer实例只是原始数据的一个有限的容器。称其有限是因为它只能包含有限数量的字节;换句话说,它不是一个像Vector或是ArrayList一样的容器,后两者从理论上说是没有限度的。另外,一个Buffer实例仅能包含属于Java的基本数据类型。例如:int,char,double,Boolean,等等。
  
  Buffer类是一个抽象类,它有7个子类分别对应于七种基本的数据类型:
  ●ByteBuffer
  ●CharBuffer
  ●DoubleBuffer
  ●FloatBuffer
  ●IntBuffer
  ●LongBuffer
  ●ShortBuffer
  
  在非阻塞化套接字编程中,通常所有新 I/O系统能工作的环境中,解决Buffer对象如何工作是要害。这是因为新套接字通道使用Buffer对象通过网络来传送数据。
  你可以使用以下静态方法(即类方法)来创建一个新的Buffer实例:allocate,allocateDirect,wrap。在下面的例子中,三个Buffer对象将用三种不同的方法来实例化。
  ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(1024);
  ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
  ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap(new String("hello").getBytes());
  
  
  这段代码的前两行创建了两个ByteBuffer对象,它们都包含1024个字节。allocate和allocateDirect方法都做了相同的工作,不同的是第二个方法直接使用操作系统来分配Buffer。因而它将提供更快的访问速度。不幸的是,并非所有的虚拟机都支持这种直接分配的方法。第三行使用wrap方法。它创建了一个ByteBuffer对象,包含的字节由字符串“hello”组成。
  
  Buffer对象的作用或多或少的与流的作用相似。“当前位置(current position)”是一个极其重要的概念,它计算出你将要处理的Buffer对象的适当的位置。在任何时候,一个Buffer对象都有一个当前位置指向某一项。之后,每一次读或写操作都会自动的将当前位置指向Buffer中的下一项。
  你可以用put方法写入一些数据到Buffer中:
  // Writing on a buffer
  IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(10);
  for (int i=0; i < buffer.capacity(); i++) {
  buffer.put(i);
  }
  
  这段代码创建了一个包含10个整型值的Buffer,然后将数字0到9放入到Buffer中。同时你可以看到,我使用了capacity方法来获得Buffer的容量。
  要想读取Buffer的内容,你可以用如下方法来处理:
  
  // Reading from a buffer
  buffer.position(0);
  while (buffer.hasRemaining()) {
  int i = buffer.get();
  System.out.PRintln("i="+i);
  }
  
  调用position方法,你能设置当前位置为0;即Bufferr的起始位置。当在当前位置和limit值之间有元素时,hasRemaining方法返回true;直到超出这个范围,此方法将返回flase。while循环中的代码调用get方法读取各项,并同时显示在控制台上。
  
  理解Buffer的limit和capacity这两个值之间的区别是十分重要的。Capacity是某个Buffer对象所能包含的项数的最大值。Limit是在0到capacity之间的一个值,它表示一个限度,可以使用limit或者flip方法来设置它。我们来看下面的例子:
  // Sample of using flip
  buffer.position(5);
  buffer.flip();
  while (buffer.hasRemaining()) {
  int i = buffer.get();
  System.out.println("i="+i);
  }
  
  
  当前位置被position方法设置成5。Flip方法进行如下操作:先将设置limit为当前位置的值,即5;然后再设置当前位置的值为0。因此,此后的while循环就只能扫描到前5个元素了,因为flip方法设置了新的limit值,即为5。从而,数字0,1,2,3,4将被显示出来。
  
  另一个重要的Buffer类的方法是clear,它将设置position为0并设置limit为Buffer的容量值。基本上,clear方法消除这之前flip(或limit)方法产生的影响。考虑下例:
  // Sample of using clear
  buffer.clear();
  while (buffer.hasRemaining()) {
  int i = buffer.get();
  System.out.println("i="+i);
  }
  
  这段代码将显示数字0到9,而与Buffer的当前位置和limit值无关。
  
  非阻塞(Nonblocking)体系结构
  在这一部分,我将从理论的角度来解释非阻塞体系的结构及其工作原理。这部“喜剧”(当然,假如你喜欢的话也可以称做戏剧)的“人物”如下:
  ●服务器端:接收请求的应用程序。
  ●客户端:向服务器端发出请求的应用程序。
  ●套接字通道:客户端与服务器端之间的通信通道。它能识别服务器端的IP地址和端口号。数据以Buffer中元素的形式通过套接字通道传送。
  ●选择器:所有非阻塞技术的主要对象。它监视着已注册的套接字通道,并序列化服务器需要应答的请求。
  ●要害字:选择器用来对对象的请求进行排序。每个要害字代表一个单独的客户端子请求并包含识别客户端和请求类型的信息。
  图一:使用非阻塞套接字体系的结构图。
  
非阻塞套接字(Nonblocking Sockets) 概述

  
图1:非阻塞套接字结构

  你可能注重到,客户端应用程序同时执行对服务器端的请求,接着选择器将其集中起来,创建要害字,然后将其发送至服务器端。这看起来像是阻塞(Blocking)体系,因为在一定时间内只处理一个请求,但事实并非如此。实际上,每个要害字不代表从客户端发至服务器端的整个信息流,仅仅只是一部分。我们不要忘了选择器能分割那些被要害字标识的子请求里的数据。因此,假如有更多连续地数据发送至服务器端,那么选择器就会创建更多的根据时间共享策略(Time-sharing policy)来进行处理的要害字。强调一下,在图一中要害字的颜色与客户端的颜色相对应。
  
  服务器端非阻塞(Server Nonblocking)
  我以前的部分介绍过的实体都有与其相当的Java实体。客户端和服务器端是两个Java应用程序。套接字通道是SocketChannel类的实例,这个类答应通过网络传送数据。它们能被Java程序员看作是一个新的套接字。SocketChannel类被定义在java.nio.channel包中。
  选择器是一个Selector类的对象。该类的每个实例均能监视更多的套接字通道,进而建立更多的连接。当一些有意义的事发生在通道上(如客户端试图连接服务器端或进行读/写操作),选择器便会通知应用程序处理请求。选择器会创建一个要害字,这个要害字是SelectionKey类的一个实例。每个要害字都保存着应用程序的标识及请求的类型。其中,请求的类型可以是如下之一:
  ●尝试连接(客户端)
  ●尝试连接(服务器端)
  ●读取操作
  ●写入操作
  一个通用的实现非阻塞服务器的算法如下:
  create SocketChannel;
  create Selector
  associate the SocketChannel to the Selector
  for(;;) {
  waiting events from the Selector;
  event arrived; create keys;
  for each key created by Selector {
  check the type of request;
  isAcceptable:
  get the client SocketChannel;
  associate that SocketChannel to the Selector;
  record it for read/write Operations
  continue;
  isReadable:
  get the client SocketChannel;
  read from the socket;
  continue;
  isWriteable:
  get the client SocketChannel;
  write on the socket;
  continue;
  }
  }
  
  基本上,服务器端的实现是由选择器等待事件和创建要害字的无限循环组成的。根据要害字的类型,及时的执行操作。要害字存在以下4种可能的类型。
  Acceptable: 相应的客户端要求连接。
  Connectable:服务器端接受连接。
  Readable:服务器端可读。
  Writeable:服务器端可写。
  
  通常一个表示接受的要害