Java NIO通信的基础，基于TCP C/S例子介绍

为了更好的理解Netty异步事件驱动网络通信框架，有必要先了解一点Java NIO原生的通信理论，下面将结合基于TCP的例子程序，含客户端和服务端的源码，实现了Echo流程。

Java NIO的核心概念有三个：Channel，Selector，ByteBuffer。

而这当中，Channel的比重最大，NIO的功能主要基于Channel来实现，进行业务逻辑操作。Selector主要是IO事件选择器，当一个Channel创建并配置好后，注册到Selector上，与Selector相关的重要概念是SelectionKey，这个上面绑定了IO事件相关的Channel。在获取到Channel后，进行数据的读写操作，Channel的数据读写是不能直接操作数据的，必须基于ByteBuffer进行，然而，Java NIO原生的ByteBuffer操作比较繁琐，要flip和clear操作。

1. 而我们在业务逻辑操作中，用到的channel，主要有ServerSocketChannel，SocketChannel，DataGramChannel。下面，用一个图，来简要的描述下Channel到这三个具体之类之间的继承/实现关系（该图来自网络，若有不妥，请告知，谢谢）。

2. Selector，是事件选择器，创建Selector后，在调用select之前，在注册Channel到这个Selector上时，必须指定关注的事件类型（interestOps）。通过这个类的select函数，可以获取选择上监听到的IO事件。一旦select函数检测到事件，就可以从Selector上获取到具体有哪些IO事件，这些事件通过SelectionKey承载，SelectionKey上标记出该事件的类型，比如是OP_CONNECT，OP_ACCEPT还是OP_READ等。另外，SelectionKey还记录了对应该IO事件发生的Channel，可以通过SelectionKey得到该Channel。

3. ByteBuffer。 因为字节操作，是操作系统与IO设备之间进行通信的基本数据单元，在Java NIO中，各通道Channel之间进行数据通信时，指定必须是基于ByteBuffer的。 ByteBuffer有两个重要的函数，flip和clear。当Channel调用read函数，将数据读到ByteBuffer中后，ByteBuffer的数据长度指针将会移动到数据长度所在的位置，这个位置是小于等于ByteBuffer容量capacity值的。当业务逻辑操作读取到的数据前，需要对ByteBuffer做一下flip操作，就是将limit指针指向当前数据指针position的位置，然后，将position指针指向0的位置。数据逻辑结束后，一般要恢复ByteBuffer，即调用clear函数。

这三个重要的概念，做了一番解释和描述后，就以一个demo程序，基于Java NIO的TCP C/S源码，代码中带有了重要逻辑的注释，后续不再单独解释。

A. TCP Server：

/**
 * @author "shihuc"
 * @date   2017年3月16日
 */
package javaSocket.tcp.server;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

import javaSocket.tcp.Constants;

/**
 * @author chengsh05
 *
 */
public class TcpServer {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {
            startServer(Constants.SERVER_PORT);
        } catch (IOException e) {            
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void startServer(int port) throws IOException{
        /*
         *开启一个服务channel， 
         *A selectable channel for stream-oriented listening sockets.
         */
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.configureBlocking(false);
        serverChannel.bind(new InetSocketAddress(port));

        /*
         * 创建一个selector
         */
        Selector selector = Selector.open();    
        /*
         * 将创建的serverChannel注册到selector选择器上，指定这个channel只关心OP_ACCEPT事件
         */
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            /*
             * select()操作，默认是阻塞模式的，即，当没有accept或者read时间到来时，将一直阻塞不往下面继续执行。
             */
            int readyChannels = selector.select();  
            if (readyChannels <= 0) {
                continue;
            }

            /*
             * 从selector上获取到了IO事件，可能是accept，也有可能是read
             */
            Set<SelectionKey> SelectonKeySet = selector.selectedKeys(); 
            Iterator<SelectionKey> iterator = SelectonKeySet.iterator();

            /*
             * 循环遍历SelectionKeySet中的所有的SelectionKey
             */
            while (iterator.hasNext()) {    
                SelectionKey key = iterator.next();                
                if (key.isAcceptable()) {          //处理OP_ACCEPT事件 
                    SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {  //处理OP_READ事件
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    
                    int readBytes = 0;
                    int ret = 0;
                    /*
                     * 注意读数据的时候，ByteBuffer的操作，需要flip,clear进行指针位置的调整
                     */
                    while ((ret = socketChannel.read(byteBuffer)) > 0) {
                        readBytes += ret;
                        byteBuffer.flip();                        
                        sb.append(Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer).toString());                        
                        byteBuffer.clear();
                    }
                    
                    if (readBytes == 0) {
                        System.err.println("handle opposite close Exception");
                        socketChannel.close();
                    }
                    
                    String message = sb.toString();
                    System.out.println("Message from client: " + message);
                    if (Constants.CLIENT_CLOSE.equalsIgnoreCase(message.toString().trim())) {
                        System.out.println("Client is going to shutdown!");                        
                        socketChannel.close();
                    } else if (Constants.SERVER_CLOSE.equalsIgnoreCase(message.trim())) {
                        System.out.println("Server is going to shutdown!");                        
                        socketChannel.close();
                        serverChannel.close();
                        selector.close();
                        System.exit(0);
                    } else {
                        String outMessage = "Server response：" + message;
                        socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8").encode(outMessage));
                    }
                }
                /*
                 * 将selector上当前已经监听到的且已经处理了的事件标记清除掉。
                 */
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

B. TCP Client

/**
 * @author "shihuc"
 * @date   2017年3月16日
 */
package javaSocket.tcp.client;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Scanner;

import javaSocket.tcp.Constants;

/**
 * @author chengsh05
 *
 */
public class TcpClient {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {
            startClient(Constants.SERVER_IP, Constants.SERVER_PORT);
        } catch (IOException e) {        
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void startClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException{
        /*
         * 创建一个SocketChannel，指定为非阻塞模式
         * A selectable channel for stream-oriented connecting sockets. 
         */
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        
        /*
         * 连接到指定的服务地址
         */
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress(serverIp, serverPort));

        /*
         * 创建一个事件选择器Selector
         */
        Selector selector = Selector.open();
        
        /*
         * 将创建的SocketChannel注册到指定的Selector上，并指定关注的事件类型为OP_CONNECT
         */
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

        /*
         * 从系统输入终端读取数据，作为客户端信息输入源
         */
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        String cont = null;        
        while(true){
            if(socketChannel.isConnected()){
                cont = sc.nextLine();
                socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8").encode(cont));
                if(cont == null || cont.equalsIgnoreCase(Constants.CLIENT_CLOSE)){
                    socketChannel.close();
                    selector.close();
                    sc.close();
                    System.out.println("See you, 客户端退出系统了");
                    System.exit(0);
                }
            }
            /*
             * 设置1sec的超时时间，进行IO事件选择操作
             */
            int nSelectedKeys = selector.select(5000);
            if(nSelectedKeys > 0){
                for(SelectionKey skey: selector.selectedKeys()){
                    /*
                     * 判断检测到的channel是不是可连接的，将对应的channel注册到选择器上，指定关心的事件类型为OP_READ
                     */
                    if(skey.isConnectable()){
                        SocketChannel connChannel = (SocketChannel) skey.channel();
                        connChannel.configureBlocking(false);
                        connChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        connChannel.finishConnect();
                    }
                    /*
                     * 若检测到的IO事件是读事件，则处理相关数据的读相关的业务逻辑
                     */
                    else if(skey.isReadable()){
                        SocketChannel readChannel = (SocketChannel) skey.channel();
                        StringBuilder sb = new StringBuilder();
                        /*
                         * 定义一个ByteBuffer的容器，容量为1k
                         */
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                       
                        int readBytes = 0;
                        int ret = 0;
                        /*
                         * 注意，对ByteBuffer的操作，需要关心的是flip，clear等。
                         */
                        while ((ret = readChannel.read(byteBuffer)) > 0) {
                            readBytes += ret;
                            byteBuffer.flip();                            
                            sb.append(Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer).toString());                            
                            byteBuffer.clear();
                        }
                        
                        if (readBytes == 0) {
                            System.err.println("handle opposite close Exception");
                            readChannel.close();
                        }
                    }                                        
                }
                /*
                 * 一次监听的事件处理完毕后，需要将已经记录的事件清除掉，准备下一轮的事件标记
                 */
                selector.selectedKeys().clear();
            }else{
                System.err.println("handle select timeout Exception");
                socketChannel.close();
            }
        }        
    }
}

阅读上述代码时，请注意，server和client的实现风格不太一样，主要是针对SelectionKeySet的遍历，一次select操作获取到的所有的SelectionKey处理完后的扫尾工作，体现出Selector的工作逻辑，若写过C程序实现过TCP server/client程序，对事件选择的过程应该就更清楚了。

最后，总结一下Java NIO TCP协议下的C/S结构程序流程图，为彻底理解Java NIO服务。

基于这个例子引出的Java NIO的逻辑过程和思想，再去研读Netty的代码，相信会容易理解Netty的核心reactor模型工作原理。