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非阻塞通信

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用Java实现非阻塞通信 - lowZoom - CSDN博客

用Java实现非阻塞通信

用ServerSocket和Socket来编写服务器程序和客户程序，是Java网络编程的最基本的方式。这些服务器程序或客户程序在运行过程中常常会阻

塞。例如当一个线程执行ServerSocket的accept()方法时，假如没有客户连接，该线程就会一直等到有了客户连接才从accept()方法返回。再例

如当线程执行Socket的read()方法时，如果输入流中没有数据，该线程就会一直等到读入了足够的数据才从read()方法返回。

假如服务器程序需要同时与多个客户通信，就必须分配多个工作线程，让它们分别负责与一个客户通信，当然每个工作线程都有可能经常处

于长时间的阻塞状态。

从JDK1.4版本开始，引入了非阻塞的通信机制。服务器程序接收客户连接、客户程序建立与服务器的连接，以及服务器程序和客户程序收发

数据的操作都可以按非阻塞的方式进行。服务器程序只需要创建一个线程，就能完成同时与多个客户通信的任务。

非阻塞的通信机制主要由java.nio包（新I/O包）中的类实现，主要的类包括ServerSocketChannel、SocketChannel、Selector、SelectionKey和

ByteBuffer等。

一、线程阻塞

在生活中，最常见的阻塞现象是公路上汽车的堵塞。汽车在公路上快速运行，如果前方交通受阻，就只好停下来等待，等到公路顺畅，才能

恢复运行。

线程在运行中也会因为某些原因而阻塞。所有处于阻塞状态的线程的共同特征是：放弃CPU，暂停运行，只有等到导致阻塞的原因消除，才

能恢复运行；或者被其他线程中断，该线程会退出阻塞状态，并且抛出InterruptedException。

1．线程阻塞的原因

导致线程阻塞的原因主要有以下方面：

● 线程执行了Thread.sleep(int n)方法，线程放弃CPU，睡眠n毫秒，然后恢复运行。

● 线程要执行一段同步代码，由于无法获得相关的同步锁，只好进入阻塞状态，等到获得了同步锁，才能恢复运行。

● 线程执行了一个对象的wait()方法，进入阻塞状态，只有等到其他线程执行了该对象的notify()或notifyAll()方法，才可能将其唤醒。

● 线程执行I/O操作或进行远程通信时，会因为等待相关的资源而进入阻塞状态。例如当线程执行System.in.read()方法时，如果用户没

有向控制台输入数据，则该线程会一直等读到了用户的输入数据才从read()方法返回。

进行远程通信时，在客户程序中，线程在以下情况可能进入阻塞状态：

● 请求与服务器建立连接时，即当线程执行Socket的带参数的构造方法，或执行Socket的connect()方法时，会进入阻塞状态，直到连接

成功，此线程才从Socket的构造方法或connect()方法返回。

● 线程从Socket的输入流读入数据时，如果没有足够的数据，就会进入阻塞状态，直到读到了足够的数据，或者到达输入流的末尾，或

者出现了异常，才从输入流的read()方法返回或异常中断。输入流中有多少数据才算足够呢？这要看线程执行的read()方法的类型：

int read()：只要输入流中有一个字节，就算足够。

int read(byte[] buff)：只要输入流中的字节数目与参数buff数组的长度相同就算足够。

String readLine()：只要输入流中有一行字符串，就算足够。值得注意的是InputStream类并没有readLine()方法，在过滤流

BufferedReader类中才有此方法。

● 线程向Socket的输出流写一批数据时，可能会进入阻塞状态，等到输出了所有的数据，或者出现异常，才从输出流的write()方法返回

或异常中断。

● 当调用Socket的setSoLinger()方法设置了关闭Socket的延迟时间，那么当线程执行Socket的close()方法时，会进入阻塞状态，直到底层

Socket发送完所有剩余数据，或者超过了setSoLinger()方法设置的延迟时间，才从close()方法返回。

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在服务器程序中，线程在以下情况可能会进入阻塞状态：

● 线程执行ServerSocket的accept()方法，等待客户的连接，直到接收到了客户连接，才从accept()方法返回。

● 线程从Socket的输入流读入数据时, 如果输入流没有足够的数据，就会进入阻塞状态。

● 线程向Socket的输出流写一批数据时，可能会进入阻塞状态，等到输出了所有的数据，或者出现异常，才从输出流的write()方法返回

或异常中断。

由此可见，无论是在服务器程序还是客户程序中，当通过Socket的输入流和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

的输入和输出操作被称为阻塞I/O。与此对照，如果执行输入和输出操作时，不会发生阻塞，则称为非阻塞I/O。

2．服务器程序用多线程处理阻塞通信的局限

图1显示了服务器程序用多线程来同时处理多个客户连接的工作流程。主线程负责接收客户的连接。在线程池中有若干工作线程，它们负责

处理具体的客户连接。每当主线程接收到一个客户连接，主线程就会把与这个客户交互的任务交一个空闲的工作线程去完成，主线程继续负

责接收下一个客户连接。

图1 服务器程序用多线程处理阻塞通信

在图1中，用粗体框标识的步骤为可能引起阻塞的步骤。可以看出，当主线程接收客户连接，以及工作线程执行I/O操作时，都有可能进入阻

塞状态。

服务器程序用多线程来处理阻塞I/O，尽管能满足同时响应多个客户请求的需求，但是有以下局限：

（1）Java虚拟机会为每个线程分配独立的堆栈空间，工作线程数目越多，系统开销就越大，而且增加了Java虚拟机调度线程的负担，增加了

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锅里放水，打开煤气炉; //开始烧开水

锅里放水和米，打开煤气炉; //开始烧粥

while(一直等待，直到有水烧开、粥烧开或粥烧熟事件发生){ //阻塞

if(水烧开)

关闭煤气炉，把开水灌到水壶里;

if(粥烧开)

调整煤气炉，改为小火;

if(粥烧熟)

关闭煤气炉;

}

这个人不断监控烧水以及烧粥的状态，如果发生了“水烧开”、“粥烧开”或“粥烧熟”事件，就去处理这些事件，处理完一件事后继续监

控烧水以及烧粥的状态，直到所有的任务都完成。

以上工作方式也可以运用到服务器程序中，服务器程序只需要一个线程就能同时负责接收客户的连接、接收各个客户发送的数据，以及向各

个客户发送响应数据。服务器程序的处理流程如下：

while(一直等待，直到有接收连接就绪事件、读就绪事件或写就绪事件发生){ //阻塞

if(有客户连接)

接收客户的连接; //非阻塞

if(某个Socket的输入流中有可读数据)

从输入流中读数据; //非阻塞

if(某个Socket的输出流可以写数据)

向输出流写数据; //非阻塞

}

以上处理流程采用了轮询的工作方式，当某一种操作就绪，就执行该操作，否则就察看是否还有其他就绪的操作可以执行。线程不会因为某

一个操作还没有就绪，就进入阻塞状态，一直傻傻地在那里等待这个操作就绪。

为了使轮询的工作方式顺利进行，接收客户的连接、从输入流读数据、以及向输出流写数据的操作都应该以非阻塞的方式运行。所谓非阻

塞，就是指当线程执行这些方法时，如果操作还没有就绪，就立即返回，而不会一直等到操作就绪。例如当线程接收客户连接时，如果没有

客户连接，就立即返回；再例如当线程从输入流中读数据时，如果输入流中还没有数据，就立即返回，或者如果输入流还没有足够的数据，

那么就读取现有的数据，然后返回。值得注意的是，以上while循环条件中的操作还是按照阻塞方式进行的，如果未发生任何事件，就会进入

阻塞状态，直到接收连接就绪事件、读就绪事件或写就绪事件中至少有一个事件发生，此时就会执行while循环体中的操作。

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二、java.nio包中的主要类

java.nio包提供了支持非阻塞通信的类，主要包括：

● ServerSocketChannel：ServerSocket的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。

● SocketChannel：Socket的替代类，支持阻塞通信与非阻塞通信。

● Selector：为ServerSocketChannel监控接收连接就绪事件，为SocketChannel监控连接就绪、读就绪和写就绪事件。

● SelectionKey：代表ServerSocketChannel以及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，就表示与这个SelectionKey对象相关的事件发生了。

ServerSocketChannel以及SocketChannel都是SelectableChannel的子类，如图3所示。SelectableChannel类以及其子类都能委托Selector来监控它们可

能发生的一些事件，这种委托过程也称为注册事件过程。

图3 SelectableChannel类及其子类的类框图

ServerSocketChannel向Selector注册接收连接就绪事件的代码如下：

SelectionKey key=serverSocketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

SelectionKey类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：接收连接就绪事件，表示至少有了一个客户连接，服务器可以接收这个连接。

SocketChannel可能发生以下三种事件：

● SelectionKey.OP_CONNECT：连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功。

● SelectionKey.OP_READ：读就绪事件，表示输入流中已经有了可读数据，可以执行读操作了。

● SelectionKey.OP_WRITE：写就绪事件，表示已经可以向输出流写数据了。

SocketChannel提供了接收和发送数据的方法：

● read(ByteBuffer buffer)：接收数据，把它们存放到参数指定的ByteBuffer中。

● write(ByteBuffer buffer)：把参数指定的ByteBuffer中的数据发送出去。

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FredericJG

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