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假設

假設你已經瞭解並實現過了一些OIO訊息服務端，並對非同步訊息服務端更有興趣，那麼本文或許能帶你更好的入門，並瞭解JDK部分原始碼的關係流程，正如題目所說，筆者將竟可能還原，以初學者能理解的角度，講訴並構建一個NIO訊息服務端。

啟動通道並註冊選擇器

啟動模式

感謝Java一直在持續更新，對應的各個API也做得越來越好了，我們本次生成 服務端套接字通道 也是使用到JDK提供的一個方式 open ，我們將啟動一個 ServerSocketChannel ，他是一個 支援同步非同步模式 的 服務端套接字通道 。

它是一個抽象類，官方給了推薦的方式 open 來開啟一個我們需要的 服務端套接字通道例項 。（如下的官方原始碼相關注釋）

/**
 * A selectable channel for stream-oriented listening sockets.
 */
 public abstract class ServerSocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements NetworkChannel
{
    /**
     * Opens a server-socket channel.
     */
    public
 
 static ServerSocketChannel open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openServerSocketChannel();
    }
}
複製程式碼

那麼好了，我們現在可以確定我們第一步的程式碼是什麼樣子的了！沒錯，和你想象中的一樣，這很簡單。

public class NioServer {

    public void server(int port) throws IOException{
        //1、開啟伺服器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    }
}
複製程式碼
 

本節的重點是 啟動模式 ，那麼這意味著，我們需要向 ServerSocketChannel 進行標識，那麼它是否提供了對用的方法設定 同步非同步（阻塞非阻塞） 呢？

這很明顯，它是提供的，這也是它的核心功能之一，其實應該是它繼承的 父抽象類AbstractSelectableChannel 的實現方法： configgureBlocking（Boolean），這個方法將標識我們的 服務端套接字通道 是否阻塞模式。（如下的官方原始碼相關注釋）

/**
 * Base implementation class for selectable channels.
 */
 public abstract class AbstractSelectableChannel
    extends SelectableChannel
{
    /**
     * Adjusts this channel's blocking mode.
     */
    public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
        throws IOException
    {
        synchronized (regLock) {
            if (!isOpen())
                throw new ClosedChannelException();
            if (blocking == block)
                return this;
            if (block && haveValidKeys())
                throw new IllegalBlockingModeException();
            implConfigureBlocking(block);
            blocking = block;
        }
        return this;
    }
}
複製程式碼

那麼，我們現在可以進行 啟動模式的配置 了，讀者很聰明。我們的專案Demo可以這樣寫： false為非阻塞模式、true為阻塞模式 。

public class NioServer {

    public void server(int port) throws IOException{
        //1、開啟伺服器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketzhannel = ServerSocketChannel.open();
        //2、設定為非阻塞、調整此通道的阻塞模式。
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    }
}
複製程式碼

若未配置阻塞模式，註冊選擇器 會報 java.nio.channels.IllegalBlockingModeException 異常，相關將於該小節大致講解說明。

套接字地址埠繫結

做過訊息通訊伺服器的朋友應該都清楚，我們需要向服務端 指定IP與埠 ，即使是NIO伺服器也是一樣的，否則，我們的客戶端會報 java.net.ConnectException: Connection refused: connect 異常

對於NIO的地址埠繫結，我們也需要用到 ServerSocket伺服器套接字 。我們知道在寫OIO服務端的時候，我們可能僅僅需要寫一句即可，如下。

    //將伺服器繫結到指定埠
    final ServerSocket socket = new ServerSocket(port);
複製程式碼

當然，JDK在實現NIO的時候就已經想到了，同樣，我們可以使用 伺服器套接字通道 來獲取一個 ServerSocket伺服器套接字 。這時的它並沒有繫結埠，我們需要對應繫結地址，這個類自身就有一個 bind 方法。（如下原始碼相關注釋）

/**
 * This class implements server sockets. A server socket waits for
 * requests to come in over the network. It performs some operation
 * based on that request, and then possibly returns a result to the requester.
 */
public class ServerSocket implements java.io.Closeable {
    /**
     *
     * Binds the {@code ServerSocket} to a specific address
     * (IP address and port number).
     */
     public void bind(SocketAddress endpoint) throws IOException {
        bind(endpoint, 50);
    }
}
複製程式碼

通過原始碼，我們知道，繫結iP與埠 需要一個SocketAddress類，我們僅需要將 IP與埠配置到對應的SocketAddress類 中即可。其實JDK中，已經有了一個更加方便且繼承了SocketAddress的類：InetSocketAddress。

InetSocketAddress有一個需要一個port為引數的構造方法，它將建立 一個ip為萬用字元、埠為指定值的套接字地址 。這很方便我們的開發，對吧？(如下原始碼相關注釋)

/**
 *
 * This class implements an IP Socket Address (IP address + port number)
 * It can also be a pair (hostname + port number), in which case an attempt
 * will be made to resolve the hostname. If resolution fails then the address
 * is said to be <I>unresolved</I> but can still be used on some circumstances
 * like connecting through a proxy.
 */
 public class InetSocketAddress
    extends SocketAddress
{
    /**
     * Creates a socket address where the IP address is the wildcard address
     * and the port number a specified value.
     */
     public InetSocketAddress(int port) {
        this(InetAddress.anyLocalAddress(), port);
    }
}
複製程式碼

好了，那麼接下來我們的專案程式碼可以繼續新增繫結IP與埠了，我想聰明的你應該有所感覺了。

public class NioServer {

    public void server(int port) throws IOException{
        //1、開啟伺服器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketzhannel = ServerSocketChannel.open();
        //2、設定為非阻塞、調整此通道的阻塞模式。
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //3、檢索與此通道關聯的伺服器套接字。
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        //4、此類實現 ip 套接字地址 (ip 地址 + 埠號) 
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
        //5、將伺服器繫結到選定的套接字地址
        serverSocket.bind(address);
    }
}
複製程式碼

正如開頭我們所說的，你的專案中不新增3-5環節的程式碼並沒有問題，但是當客戶端接入時，則會報錯，因為客戶端將要 接入的地址是連線不到的 ，如會報這樣的錯誤。

java.net.ConnectException: Connection refused: connect
	at sun.nio.ch.Net.connect0(Native Method)
	at sun.nio.ch.Net.connect(Net.java:457)
	at sun.nio.ch.Net.connect(Net.java:449)
	at sun.nio.ch.SocketChannelImpl.connect(SocketChannelImpl.java:647)
	at com.github.myself.WebClient.main(WebClient.java:16)
複製程式碼

註冊選擇器

接下來會是 NIO實現的重點 ，可能有點難理解，如果希望大家能一次理解，完全深入有點難講明白，不過先大致點一下。

首先要先介紹以下JDK實現NIO的核心：多路複用器（Selector）——選擇器

先簡單並抽象的理解下，Java通過 選擇器來實現處理多個Channel連結 ，將空閒未進行資料操作的擱置，優先執行有需求的資料傳輸，即 通過一個選擇器來選擇誰需要誰不需要使用共享的執行緒 。

由此，理所當然，這樣的選擇器應該也有Java自己定義的獲取方法， 其自身的 open 就是啟動一個這樣的選擇器。（如下原始碼相關注釋）

/**
 * A multiplexor of {@link SelectableChannel} objects.
 */
 public abstract class Selector implements Closeable {
     /**
     * Opens a selector.
     */
     public static Selector open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openSelector();
     }
 }
複製程式碼

那麼現在，我們還要考慮一件事情，我們的 伺服器套接字通道 要如何與 選擇器 相關聯呢？

ServerSocketChannel 有一個註冊的方法，這個方法就是將它們兩個進行了關聯，同時這個註冊方法 除了關聯選擇器外，還標識了註冊的狀態 ，讓我們先看看原始碼吧。

以下的 ServerSocketChannel 繼承 ---》 AbstractSelectableChannel 繼承 ---》 SelectableChannel

/**
 * A channel that can be multiplexed via a {@link Selector}.
 */
 public abstract class SelectableChannel
    extends AbstractInterruptibleChannel
    implements Channel
{
    /**
     * Registers this channel with the given selector, returning a selection
     * key.
     */
     public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
        throws ClosedChannelException
    {
        return register(sel, ops, null);
    }
}
複製程式碼

我們一般需要將選擇器註冊上去，並將 ServerSocketChannel 標識為 接受連線 的狀態。我們先看看我們的專案程式碼應該如何寫。

public class NioServer {

    public void server(int port) throws IOException{
        //1、開啟伺服器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketzhannel = ServerSocketChannel.open();
        //2、設定為非阻塞、調整此通道的阻塞模式。
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //3、檢索與此通道關聯的伺服器套接字。
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        //4、此類實現 ip 套接字地址 (ip 地址 + 埠號) 
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
        //5、將伺服器繫結到選定的套接字地址
        serverSocket.bind(address);
        //6、開啟Selector來處理Channel
        Selector selector = Selector.open();
        //7、將ServerSocket註冊到Selector已接受連線，註冊會判斷是否為非阻塞模式
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(1024);
        final ByteBuffer msg = ByteBuffer.wrap("Hi!\r\n".getBytes());
        while(true){
            //下方程式碼.....
        }
    }
}
複製程式碼

注意： 我們前面說到，如果 ServerSocketChannel 沒有啟動非阻塞模式，那麼我們在啟動的時候會報 java.lang.IllegalArgumentException 異常，這是為什麼呢？ 我想我們可能需要更深入底層去看看 register 這個方法（如下原始碼註釋）

/**
 * Base implementation class for selectable channels.
 */
 public abstract class AbstractSelectableChannel
    extends SelectableChannel
{
    /**
     * Registers this channel with the given selector, returning a selection key.
     */
    public final SelectionKey register(Selector sel, int ops,
                                       Object att)
        throws ClosedChannelException
    {
        synchronized (regLock) {
            if (!isOpen())
                throw new ClosedChannelException();
            if ((ops & ~validOps()) != 0)
                throw new IllegalArgumentException();
            if (blocking)
                throw new IllegalBlockingModeException();
            SelectionKey k = findKey(sel);
            if (k != null) {
                k.interestOps(ops);
                k.attach(att);
            }
            if (k == null) {
                // New registration
                synchronized (keyLock) {
                    if (!isOpen())
                        throw new ClosedChannelException();
                    k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
                    addKey(k);
                }
            }
            return k;
        }
    }
}
複製程式碼

我想我們終於真相大白了，原來註冊這個方法會對 ServerSocketChannel 的一系列引數進行 校驗 ，只有通過，才能註冊成功，所以我們也明白了，為什麼 非阻塞是false，同時我們也可以看到，它還對我們所給的標識做了校驗，一點要優先註冊 接受連線（OP_ACCEPT） 這個狀態才行，不然依舊會報 java.lang.IllegalArgumentException 異常。

這裡解釋一下，之所以只接受 OP_ACCEPT ，是因為如果沒有一個接受其他連結的主服務，那麼通訊根本無從說起，同時這樣的標識在我們的NIO服務端中 只允許標識一次（一個ServerSocketChannel） 。

可能大家還會好奇有什麼標識，我想原始碼的說明確實寫的很清楚了。

/**
 * Operation-set bit for read operations.
 */
 public static final int OP_READ = 1 << 0;

/**
 * Operation-set bit for write operations.
 */
 public static final int OP_WRITE = 1 << 2;

/**
 * Operation-set bit for socket-connect operations.
 */
 public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;

/**
 * Operation-set bit for socket-accept operations.
 */
 public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
複製程式碼

好了，這裡給一個除錯截圖，希望大家也可以慢慢的摸索一下。

注意這裡的服務端並沒有構建完成哦，我們還需要下面的幾個步驟。

NIO選擇例項與興趣點

客戶端程式碼

說到這裡，我們暫時先休息下，轉頭看看 客戶端的程式碼 吧，這裡就簡單的介紹下，我們將建立 一個針對服務地址埠的連線 ，然後不停的迴圈 寫操作與讀操作 ，沒有對客戶端進行 關閉操作。

大家如果有興趣的話，也可以自己除錯，並看看部分類的JDK原始碼，如下給出本專案案例的客戶端程式碼。

public class WebClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("0.0.0.0",8090));

            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

            writeBuffer.put("hello".getBytes());
            writeBuffer.flip();
            while (true){
                writeBuffer.rewind();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                readBuffer.clear();
                socketChannel.read(readBuffer);
                readBuffer.flip();
                System.out.println(new String(readBuffer.array()));
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
複製程式碼

準備IO接入操作

這裡有點複雜，我也儘可能的思考了表達的方式，首先我們先明確一下，所有的連線都會被Selector所囊括，即我們要獲取新接入的連線，也要通過Selector來獲取，我們一開始啟動的 伺服器套接字通道ServerSocketChannel 起到一個接入\入口（或許不夠準確）的作用，客戶端連線通過IP與埠進入後，會 被註冊的Selector所獲取 到，成為 Selector 其中的一員。

但是這裡的一員 並不會包括一開始註冊並被標誌為接收連線 的 ServerSocketChannel 。

Selector有這樣一個方法，它會自動去等待新的連線事件，如果沒有連線接入，那麼它將一直處於阻塞狀態。通過字面意思我們可以大致這樣寫程式碼。

while(true){
    try{
        //1、等到需要處理的新事件：阻塞將一直持續到下一個傳入事件
        selector.select();
    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
        break;
    }
}
複製程式碼

那麼這樣寫好像有點像樣，畢竟異常我們也捕獲了，同時也使用了剛剛 開啟並註冊完畢的選擇器Selector。

讓我們看看原始碼中對於這個方法 select 的註釋吧。

/**
 * A multiplexor of {@link SelectableChannel} objects.
 */
 public abstract class Selector implements Closeable {
     /**
     * Selects a set of keys whose corresponding channels are ready for I/O
     * operations.
     */
     public abstract int select() throws IOException;
 }
複製程式碼

好的，看樣子是對的，它將返回一組套接字通道已經準備好執行I/O操作的鍵。那麼這個Key究竟是什麼呢？

這裡可能直觀的感受下會更好。如下圖是我除錯下看到的key物件，我想大家應該可以理解了，這個Key中也會 存放對應連線的Channel與Selector 。

具體的內部更深層的就探討了。那麼這也解決了我們接下來的 一個疑問 ，我們要怎麼向Selector拿連線進來的例項呢？

答案很明顯，我們僅需要 獲取到這個Keys 就好了。

選擇鍵集合操作

對於獲取Keys這個現在應該已經不是什麼問題了，通過上面章節的瞭解，我想大家也可以想到這樣的大致語法。

//獲取所有接收事件的SelectionKey例項
Set<SelectionKey> readykeys = selector.selectedKeys();
複製程式碼

大家或許會好奇，這裡的Key物件居然是前面的 SelectionKey.OP_ACCEPT 物件，是的，這也是接下來要講的，這很奇妙，也很好玩。

前面說到的標識，這是每一個Key自有的，並且是可以 改變的狀態 ，在剛剛連線的時候，或許我應該大致的描述一下 一個新連線進入選擇器後的流程 ：select方法將接受到新接入的連線事件，它會被Selector以Key的形式儲存，這時我們需要 對其進行判斷 ，是否是已經就緒可以被接受的連線，如果是，這時我們需要 獲取這個連線 ，同時也將其設定為 非阻塞的狀態 ，並將它 註冊到選擇器上（當然，這時的標識就不能是一開始的 OP_ACCEPT ），你可以選擇性的 註冊它的標識 ，之後我們可以通過迴圈遍歷Keys來，讓 某一標識的連線去執行對應的操作 。

說到這裡，我想部分新手可能會有點模糊，我想我還是把接下來的程式碼都一起放出來吧，大家先看看是否能夠再次結合文字進行了解。

while (true){
    try {
        //等到需要處理的新事件：阻塞將一直持續到下一個傳入事件
        selector.select();
    }catch (IOException e){
        e.printStackTrace();
        break;
    }
    //獲取所有接收事件的SelectionKey例項
    Set<SelectionKey> readykeys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> iterator = readykeys.iterator();
    while(iterator.hasNext()){
        SelectionKey key = iterator.next();
        iterator.remove();
        try {
            //檢查事件是否是一個新的已經就緒可以被接受的連線
            if (key.isAcceptable()){
                //channel：返回為其建立此鍵的通道。 即使在取消金鑰後, 此方法仍將繼續返回通道。
                ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)key.channel();
                //可選擇的通道, 用於面向流的連線插槽。
                SocketChannel client = server.accept();
                //設定為非阻塞
                client.configureBlocking(false);
                //接受客戶端，並將它註冊到選擇器，並新增附件
                client.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ,msg.duplicate());
                System.out.println("Accepted connection from " + client);
            }
            //檢查套接字是否已經準備好讀資料
            if (key.isReadable()){
                SocketChannel client = (SocketChannel)key.channel();
                readBuff.clear();
                client.read(readBuff);
                readBuff.flip();
                System.out.println("received:"+new String(readBuff.array()));
                //將此鍵的興趣集設定為給定的值。 OP_WRITE
                key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
            }
            //檢查套接字是否已經準備好寫資料
            if (key.isWritable()){
                SocketChannel client = (SocketChannel)key.channel();
                //attachment : 檢索當前附件
                ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                buffer.rewind();
                client.write(buffer);
                //將此鍵的興趣集設定為給定的值。 OP_READ
                key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
複製程式碼

提示：讀到此處，還請各位讀者能執行整個demo，並除錯下，看看與自己理解的是否有差別。

流程效果

以下我簡單敘述一下，我在除錯時的理解與效果。

• 1、啟動服務端後，執行到 selector.select(); 後阻塞，因為沒有監聽到新的連線。

• 2、啟動客戶端後，selector.select() 監聽到新連線，往下執行獲取到的Keys的size為1，進入Key標識分支判斷

• 3、key.isAcceptable() 首次接入為true，設定為非阻塞，並註釋到選擇器中修改標識為 SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ ，同時新增附件資訊 msg.duplicate() ，首次迴圈結束

• 4、二次迴圈，連線未關閉，獲取到的Keys的size為1，進入Key標識分支判斷。

• 5、由於第一次該Key標識改變，所以這次 key.isAcceptable() 為false，而由於改了標識，所以接下來的 key.isReadable() 、 key.isWritable() 都為true，執行讀寫操作，迴圈結束。

• 6、接下來的迴圈，基本上是key.isReadable() 、 key.isWritable() 都為true，執行讀寫操作。

• 7、設想一下，如果多加一條連結是什麼效果。

回顧

這裡給出幾個程式碼的注意點，希望大家可以自己去了解學習。

• 1、關於 ByteBuffer 本文並不重點講解，大家可以自行了解
• 2、關於Key標識判斷的程式碼，以下兩句的刪減是否會對程式碼有所影響呢？

key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
複製程式碼

• 3、如果刪除了2中的程式碼，並把客戶端註冊選擇器並給標識的程式碼改為以下，那麼專案執行效果怎麼樣呢？

client.register(selector, SelectionKey.OP_READ,msg.duplicate());
複製程式碼

• 4、如果改了3的程式碼，可是不刪除2的程式碼，那麼效果又是怎麼樣呢？

答案留給讀者去揭曉吧，如果你有答案，歡迎留言。

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現架構設計（碼農）兼創業技術顧問，不羈平庸，熱愛開源，雜談程式人生與不定期乾貨。