Java NIO 之 Socket Channel

Posted 2020-10-23 luojiahu

　　在Java NIO中用Channel来对程序与进行I/O操作主体的连接关系进行抽象，这些IO主体包括如文件、Socket或其他设备。简而言之，指代了一种与IO操作对象间的连接关系。

　　按照Channel接口的定义，Channel只有open和closed两种状态，只有在channel处于open状态下对其操作时才有效，而对closed的channel进行操作会导致抛出异常。相应的Channel接口也仅有isOpen()和close()两种方法。

　　在Socket编程中，常用的Channel类是ServerSocketChannel和SocketChannel。ServerSocketChannel表示作为Socket服务端，处于监听状态的Socket连接。而SocketChannel表示一个已经建立的Socket连接。

　　ServerSocketChannel具有accept()方法，当该方法成功返回时，会返回一个已经建立的SocketChannle对象，这也表示了这两种代表不同状态的Socket Channel间的联系和区别。ServerSocketChannel通过bind()方法绑定到本地地址，并且可以通过setOption()方法设置SO_RCVBUF（Socket接收缓冲区大小）和SO_REUSEADDR（是否重用Socket地址，由于Socket在关闭时需要经过多个状态的变迁，这个选项通常在需要快速重启的场景下有用）两个Socket选项。

　　SocketChannel采用connet()方法建立连接，并且支持非阻塞式建立，在非阻塞状态下连接的最终建立状态通过isConnetionPending()和finishConnect()进行组合判断。SocketChannel同时支持异步关闭，若写线程主动关闭了Channel，则并发的读操作将读取不到内容；若读线程主动关闭了Channel，则并发的写操作将得到AsynchronousCloseException。同样的对SocketChannle可以通过setOption()方法设置若干选项，包括：SO_SNDBUF(发送缓冲区), SO_RCVBUF, SO_KEEPALIVE（是否采用协议栈实现的保活机制，默认为FALSE）, SO_REUSEADDR, SO_LINGER(阻塞式连接下的关闭等待时长), TCP_NODELAY（是否禁用Nagle算法）。

　　这两个类涉及的相关类图如下图所示：

 

　　可见，ServerSocketChannel和SocketChannel均继承了SelectableChannel以支持与Selector配合实现非阻塞式IO。SocketChannel继承了若干支持读写操作的Channel以支持读写操作。

　　另外，Channel的读写需要借助于Buffer，可见在NIO中Buffer是程序中其他对象与Channel交互的中介，通过Buffer和Channel的配合实现对I/O对象的读写操作。

　　几个关键的接口定义如下

　　

public interface Channel {

	/**
	 * 判断是否开启
	 * @return
	 */
	public boolean isOpen();
	
	public void close() throws IOException;
	
}


/**
 * 可中断Channel</p>
 * 1. 可被异步关闭. 若当前线程阻塞于Channel的读写操作，</l>
 * 当另一线程调用close操作后，当前线程会收到一个AsynchronousCloseException</p>
 * 
 * 2. 可中断. 若当前线程阻塞于Channel,当其他线程触发interrupt方法时</l>
 * 会导致Channel Close,当前线程收到一个ClosedByInterruptException,
 * 其interrupt状态被设置</p>
 * 
 * 3. 若当前线程interrupt状态已被设置，当调用当前Channel的阻塞IO操作时，</l>
 * channel会被close，线程会收到ClosedByInterruptException. </l>
 * 其interrupt状态保持不变.</p>
 * 
 * @author luojiahu
 *
 */
public interface InterruptibleChannel extends Channel{
	
	public void close() throws IOException;

}

/**
 * 可读Byte Channel
 * 可对当前Channel阻塞读. 若有其他线程正对当前Channel进行读操作,</l>
 * 调用read会一直阻塞至其他上一读操作完成。
 * 
 * @author luojiahu
 *
 */
public interface ReadableByteChannel extends Channel {

	/**
	 * 从当前Channel中读取内容写入Buffer</l>
	 * 是否能够读入内容，取决于当前Channel的状态.</l>
	 * 如，对于一个非阻塞的Socket Channel，如果当前socket的</l>
	 * 接收缓冲区没有任何内容，则不能写入任何内容到src
	 * @param src
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public int read(ByteBuffer src) throws IOException;
	
}

/**
 * 可写Byte Channel
 * 可对当前Channel阻塞写.</l>
 * @author luojiahu
 *
 */
public interface WritableByteChannel extends Channel {

	/**
	 * 从dst buffer中读取内容写入当前Channel</l>
	 * 是否能够写入内容取决于当前Channel的状态</l>
	 * 如对于非阻塞 Socket Channel，只能写入不大于</l>
	 * 对应写入缓冲区可写大小的内容
	 * 
	 * @param dst
	 * @throws IOException
	 */
	public void write(ByteBuffer dst) throws IOException;
	
}

/**
 * 网络socket channel</l>
 * @author luojiahu
 *
 */
public interface NetWorkChannel extends Channel{

	/**
	 * 绑定到本地地址</l>
	 * 一旦绑定，则绑定直至通道关闭</l>
	 * 如果参数未空，则绑定至自动分配的地址
	 * @param local
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	NetWorkChannel bind(SocketAddress local) throws IOException;
	
	/**
	 * 获取绑定的本地地址
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	SocketAddress getLocalAddress() throws IOException;
	
	/**
	 * 设定socket 选项
	 * @param name
	 * @param value
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	<T> NetworkChannel setOption(SocketOption<T> name, T value) throws IOException;
	
}