非阻塞 Java SocketChannel 介绍

1. 前言

前一小节介绍了 Java NIO Channel 体系结构，其中 java.nio.channels.SocketChannel 和 java.nio.channels.ServerSocketChannel 是编写非阻塞 Java TCP Soccket 程序的重要模块。SocketChanel 用在 TCP 的客户端和服务器端，用于数据的读写。SocketChannel 表示一个 Endpoint，并且和远端的 SocketChannel 建立了连接。ServerSocketChannel 用于创建 TCP 服务器，用于监听新的 TCP 连接请求。本小节对 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 的基本功能做一个初步的分析。

2. SocketChannel 介绍

SocketChannel 的基本功能就是用于 TCP 连接的建立，数据读写，TCP 连接关闭。

2.1 SocketChannel 实例创建

SocketChannel 并没有提供 public 构造方法，创建 SocketChannel 的实例需要通过工厂方法 open 实现。open 声明如下：

public static SocketChannel open() throws IOException
public static SocketChannel open(SocketAddress remote) throws IOException

SocketChannel 的不带参数的 open 方法只是创建实例，不会 connect 服务器，带参的 open 方法会 connect 远端服务器。如果是创建阻塞式 SocketChannel，可以通过 open 方法传入远端服务器的地址；如果是创建非阻塞式 SocketChannel 需要调用不带参数的 open 方法，然后再调用 connect 方法连接远端服务器。

2.2 SocketChannel 的 connect 方法

SocketChannel 提供了专门 connect 方法，可以进行阻塞式、非阻塞式连接。声明如下：

public abstract boolean connect(SocketAddress remote) throws IOException;
public abstract boolean finishConnect() throws IOException

如果 SocketChannel 是阻塞模式，调用它的 connect 方法连接远端服务器，connect 方法会执行阻塞式调用，直到连接成功或者失败返回。
如果 SocketChannel 是非阻塞模式，调用它的 connect 方法连接远端服务器，connect 方法会执行非阻塞式调用。connect 发出连接请求后，不管 TCP 连接是否成功，都会马上返回。必须调用 finishConnect 方法，检查连接是否成功，如果连接成功 finishConnect，返回 true；如果连接没有成功，finishConnect 返回 false。

2.3 SocketChannel 的数据读取

SocketChannel 提供了读取单片数据的方法，声明如下：

public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException

其实，单片数据的 read 方法是重写了 java.nio.channels.ReadableByteChannel 中的 read 方法。 read 方法是从 I/O 设备读取数据，保存在 ByteBuffer 中，为此调用者必须提供 ByteBuffer 用以保存数据。返回值是读取的字节数、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，read 至少返回 1 或者 -1；如果是非阻塞式 Chanel，read 可能会返回 0。

SocketChannel 提供了读取多片数据的方法，声明如下：

public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException
public final long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException

其实，多片数据的 read 方法是重写了 java.nio.channels.ScatteringByteChannel 中的 read 方法。多片数据 read 方法的返回值和单片数据 read 方法的返回值具有相同的含义。多片数据的 read 方法，其实是将 TCP 字节流保存在不同的 ByteBuffer 中，这些 ByteBuffer 是不同的内存块，通常叫做 Scatter 机制。

2.4 SocketChannel 的数据写入

SocketChannel 提供了写入单片数据的方法，声明如下：

public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException

其实，单片数据的 write 方法是重写了 java.nio.channels.WritableByteChannel 中的 write 方法。write 方法是从 ByteBuffer 读取数据，写入 I/O 设备中，为此调用者必须将要写出去的数据保存到 ByteBuffer 中。返回值是写入的字节数、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，write 返回请求写入的字节数 或者 -1；如果是非阻塞式 write 可能会返回 0。

SocketChannel 提供了写入多片数据的方法，声明如下：

public final long write(ByteBuffer[] dsts) throws IOException
public final long write(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException

多片数据的 write 方法是重写了 java.nio.channels.GatheringByteChannel 中的 write 方法。多片数据 write 方法的返回值和单片数据 write 方法的返回值具有相同的含义。多片数据的 write 方法，其实是将保存在不同的 ByteBuffer 中字节流写入 TCP Socket，这些 ByteBuffer 是不同的内存块，通常叫做 Gathering 机制。

2.5 SocketChannel 的关闭

SocketChannel 覆写了 java.nio.channels.Channel 中的 close 方法，完成 TCP 连接的关闭。方法声明如下：

public void close() throws IOException

3. ServerSocketChannel 介绍

ServerSocketChannel 用于 TCP 创建服务器，监听客户端的连接请求。ServerSocketChannel 也没有提供 public 的构造方法，创建 ServerSocketChannel 的实例，需要调用它的工厂方法 open。声明如下：

public static ServerSocketChannel open() throws IOException

ServerSocketChannel 提供了 bind 方法，用于绑定监听的 IP 地址和端口。声明如下：

public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local) throws IOException
public abstract ServerSocketChannel bind(SocketAddress local, int backlog) throws IOException;

ServerSocketChannel 提供了 accept 方法，接收新的客户端请求，返回值是 SocketChannel 类型的对象，表示一个新的 TCP 连接。

public abstract SocketChannel accept() throws IOException;

通过 ServerSocketChannel 创建一个 TCP 服务器，一般需要如下几个步骤：

try {
    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
    // 绑定监听的 socket 地址,监听 any_addr
    serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
    // 设置 SO_REUSEADDR 选项，作为服务器，这是基本的要求
    serverChannel.socket().setReuseAddress(true);
    // 设置非阻塞模式，作为服务器，也是基本要求
    serverChannel.configureBlocking(false);
    // 注册 accept 事件
    serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, serverChannel);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

后续的逻辑就是通过 Selector 的 select 方法监听 I/O 事件。然后通过 SocketChannel 的 read 和 write 方法进行数据读写。

4. 小结

本小节重点是介绍了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两个类提供的重点 API。关于这两个类的具体应用示例，已经在前面的小节展示，可以参考。