NIO之SocketChannel,SocketChannel ,DatagramChannel解读

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yd_249383650 发表于 2023/05/31 20:20:10 2023/05/31
【摘要】 ​基本概述（1）SocketChannel 就是 NIO 对于非阻塞 socket 操作的支持的组件，其在 socket 上 封装了一层，主要是支持了非阻塞的读写。同时改进了传统的单向流 API,，Channel同时支持读写。（2）socket 通道类主要分为 DatagramChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel，它们在被实例化时都会创建一个...

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基本概述


（1）SocketChannel 就是 NIO 对于非阻塞 socket 操作的支持的组件，其在 socket 上 封装了一层，主要是支持了非阻塞的读写。同时改进了传统的单向流 API,，Channel同时支持读写。

（2）socket 通道类主要分为 DatagramChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel，它们在被实例化时都会创建一个对等 socket 对象。要把一个 socket 通道置于非阻塞模式，我们要依靠所有 socket 通道类的公有超级类： SelectableChannel。就绪选择（readiness selection）是一种可以用来查询通道的 机制，该查询可以判断通道是否准备好执行一个目标操作，如读或写。非阻塞 I/O 和 可选择性是紧密相连的，那也正是管理阻塞模式的 API 代码要在 SelectableChannel 超级类中定义的原因。

（3）设置或重新设置一个通道的阻塞模式是很简单的，只要调用 configureBlocking( )方法即可，传递参数值为 true 则设为阻塞模式，参数值为 false 值设为非阻塞模式。可以通过调用 isBlocking( )方法来判断某个 socket 通道当前处于 哪种模式。

AbstractSelectableChannel.java 中实现的 configureBlocking()方法如下：

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ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 是一个基于通道的 socket 监听器。它同我们所熟悉的java.net.ServerSocket 执行相同的任务，不过它增加了通道语义，因此能够在非阻塞 模式下运行。

由于 ServerSocketChannel 没有 bind()方法，因此有必要取出对等的 socket 并使用 它来绑定到一个端口以开始监听连接。我们也是使用对等 ServerSocket 的 API 来根 据需要设置其他的 socket 选项。

同 java.net.ServerSocket 一样，ServerSocketChannel 也有 accept( )方法。 ServerSocketChannel 的 accept()方法会返回 SocketChannel 类型对象， SocketChannel 可以在非阻塞模式下运行。

以下代码演示了如何使用一个非阻塞的 accept( )方法：

public class FileChannelAccept {

    public static final String GREETING = "Hello java nio.\r\n";

    public static void main(String[] argv) throws Exception {
        int port = 1234; // default
        if (argv.length > 0) {
            port = Integer.parseInt(argv[0]);
        }
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(GREETING.getBytes());
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        ssc.configureBlocking(false);
        while (true) {
            System.out.println("Waiting for connections");
            SocketChannel sc = ssc.accept();

            if (sc == null) {
                System.out.println("null");
                Thread.sleep(2000);
            } else {
                System.out.println("Incoming connection from: " +
                        sc.socket().getRemoteSocketAddress());
                buffer.rewind();
                sc.write(buffer);
                sc.close();
            }
        }
    }
}

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打开 ServerSocketChannel

通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开 ServerSocketChannel.

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

关闭 ServerSocketChannel

通过调用 ServerSocketChannel.close() 方法来关闭 ServerSocketChannel.

serverSocketChannel.close();

监听新的连接

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进的连接。当 accept()方法返回时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞 到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在 while 循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

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阻塞模式 

会在 SocketChannel sc = ssc.accept();这里阻塞住进程。

非阻塞模式

ServerSocketChannel 可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立 刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是 null。 因此，需要检查返回的 SocketChannel 是否是 null.如：

​编辑

SocketChannel 

 SocketChannel 介绍

Java NIO 中的 SocketChannel 是一个连接到 TCP 网络套接字的通道。

A selectable channel for stream-oriented connecting sockets.

以上是 Java docs 中对于 SocketChannel 的描述：SocketChannel 是一种面向流连接 sockets 套接字的可选择通道。从这里可以看出：

SocketChannel 是用来连接 Socket 套接字

SocketChannel 主要用途用来处理网络 I/O 的通道

SocketChannel 是基于 TCP 连接传输

SocketChannel 实现了可选择通道，可以被多路复用的

SocketChannel 特征

  • 对于已经存在的 socket 不能创建 SocketChannel
  • SocketChannel 中提供的 open 接口创建的 Channel 并没有进行网络级联，需要使 用 connect 接口连接到指定地址
  • 未进行连接的 SocketChannle 执行 I/O 操作时，会抛出NotYetConnectedException
  • SocketChannel 支持两种 I/O 模式：阻塞式和非阻塞式
  • SocketChannel 支持异步关闭。如果 SocketChannel 在一个线程上 read 阻塞，另 一个线程对该 SocketChannel 调用 shutdownInput，则读阻塞的线程将返回-1 表示没有 读取任何数据；如果 SocketChannel 在一个线程上 write 阻塞，另一个线程对该 SocketChannel 调用 shutdownWrite，则写阻塞的线程将抛出AsynchronousCloseException
  • SocketChannel 支持设定参数
  1. SO_SNDBUF 套接字发送缓冲区大小
  2. SO_RCVBUF 套接字接收缓冲区大小
  3. SO_KEEPALIVE 保活连接
  4. O_REUSEADDR 复用地址
  5. SO_LINGER 有数据传输时延缓关闭 Channel (只有在非阻塞模式下有用)
  6. TCP_NODELAY 禁用 Nagle 算法

创建 SocketChannel 

方式一：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new
        InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));

方式二：

SocketChannel socketChanne2 = SocketChannel.open();
socketChanne2.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));

直接使用有参 open api 或者使用无参 open api，但是在无参 open 只是创建了一个SocketChannel 对象，并没有进行实质的 tcp 连接。 

连接校验

socketChannel.isOpen(); // 测试 SocketChannel 是否为 open 状态
socketChannel.isConnected(); //测试 SocketChannel 是否已经被连接
socketChannel.isConnectionPending(); //测试 SocketChannel 是否正在进行连接
socketChannel.finishConnect(); //校验正在进行套接字连接的 SocketChannel是否已经完成连接

读写模式

前面提到 SocketChannel 支持阻塞和非阻塞两种模式：

socketChannel.configureBlocking(false);

通过以上方法设置 SocketChannel 的读写模式。false 表示非阻塞，true 表示阻塞。 

读写

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(
                new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
socketChannel.read(byteBuffer);
socketChannel.close();
System.out.println("read over");

 以上为阻塞式读，当执行到 read 出，线程将阻塞，控制台将无法打印 read over

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(
        new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
socketChannel.read(byteBuffer);
socketChannel.close();
System.out.println("read over");

以上为非阻塞读，控制台将打印 read over 读写都是面向缓冲区，这个读写方式与前文中的FileChannel 相同。 

DatagramChannel

正如 SocketChannel 对应 Socket，ServerSocketChannel 对应 ServerSocket，每 一个 DatagramChannel 对象也有一个关联的 DatagramSocket 对象。正如 SocketChannel 模拟连接导向的流协议（如 TCP/IP），DatagramChannel 则模拟包 导向的无连接协议（如 UDP/IP）。DatagramChannel 是无连接的，每个数据报 （datagram）都是一个自包含的实体，拥有它自己的目的地址及不依赖其他数据报的 数据负载。与面向流的的 socket 不同，DatagramChannel 可以发送单独的数据报给 不同的目的地址。同样，DatagramChannel 对象也可以接收来自任意地址的数据包。 每个到达的数据报都含有关于它来自何处的信息（源地址）

打开 DatagramChannel

DatagramChannel server = DatagramChannel.open();
server.socket().bind(new InetSocketAddress(10086));

此例子是打开 10086 端口接收 UDP 数据包

接收数据

通过 receive()接收 UDP 包

ByteBuffer receiveBuffer = ByteBuffer.allocate(64);
receiveBuffer.clear();
SocketAddress receiveAddr = server.receive(receiveBuffer);

SocketAddress 可以获得发包的 ip、端口等信息，用 toString 查看，格式如下 /127.0.0.1:57126 

发送数据

通过 send()发送 UDP 包

DatagramChannel server = DatagramChannel.open();
ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.wrap("client send".getBytes());
server.send(sendBuffer, new InetSocketAddress("127.0.0.1",10086));

连接

UDP 不存在真正意义上的连接，这里的连接是向特定服务地址用 read 和 write 接收发送数据包。

client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",10086));
int readSize= client.read(sendBuffer);
server.write(sendBuffer);

 read()和 write()只有在 connect()后才能使用，不然会抛 NotYetConnectedException 异常。用 read()接收时，如果没有接收到包，会抛 PortUnreachableException 异常。

DatagramChannel 示例

客户端发送，服务端接收的例子

    /**
     * 发包的 datagram
     *
     * @throws IOException
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void sendDatagram() throws IOException, InterruptedException {
        DatagramChannel sendChannel= DatagramChannel.open();
        InetSocketAddress sendAddress= new InetSocketAddress("127.0.0.1",
                9999);

        while (true) {
            sendChannel.send(ByteBuffer.wrap("发包".getBytes("UTF-8")), sendAddress);
            System.out.println("发包端发包");
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

​编辑

   /**
     * 收包端
     *
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void receive() throws IOException {
        DatagramChannel receiveChannel= DatagramChannel.open();
        InetSocketAddress receiveAddress= new InetSocketAddress(9999);
        receiveChannel.bind(receiveAddress);
        ByteBuffer receiveBuffer= ByteBuffer.allocate(512);

        while (true) {
            receiveBuffer.clear();
            SocketAddress sendAddress= receiveChannel.receive(receiveBuffer);
            receiveBuffer.flip();
            System.out.print(sendAddress.toString() + " ");
            System.out.println(Charset.forName("UTF-8").decode(receiveBuffer));
        }
    }

 ​编辑


    /**
     * 只接收和发送 9999 的数据包
     *
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void testConect1() throws IOException {
        DatagramChannel connChannel = DatagramChannel.open();
        connChannel.bind(new InetSocketAddress(9998));
        connChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        connChannel.write(ByteBuffer.wrap("发包".getBytes("UTF-8")));
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(512);

        while (true) {

            try {
                readBuffer.clear();
                connChannel.read(readBuffer);
                readBuffer.flip();
                System.out.println(Charset.forName("UTF-8").decode(readBuffer));
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }



​

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