陳子興 ·為什么需要非阻塞 Java Socket 編程
1. 前言
前面小節介紹的都是阻塞式 Socket 編程。比如，我們最早編寫的 TCP Client/Server 示例程序，客戶端定時發送消息，服務器只是做一個響應。由于只是服務一個客戶端，所以通過阻塞式 Socket 編程勉強能滿足需求。
在 Java 服務器多線程一節，我們介紹了每線程模型和線程池模型。通過這兩種多線程模型，服務器可以同時和多個客戶端完成通信。對于每線程模型來說，其核心是為每一個新連接創建一個獨立的子線程，由這個獨立的子線程負責和客戶端完成數據收發。每線程模型的特點是服務器上的線程和客戶端是一對一的。這種解決方案是有很大弊端的，因為系統能夠創建的線程數量是有限的，是無法支撐高并發場景的。對于線程池模型來說，盡管限制了創建的線程的總數，但是由于是阻塞式 Socket，一旦某個線程被分配和客戶端通信，就只能和此客戶端通信，所以在容量上有限制。
對于高并發的應用場景來說，還是得通過非阻塞式 Socket 編程來解決。
首先我們了解一下阻塞式和非阻塞式的區別。
2. 阻塞式與非阻塞式模型
我們以 Linux 系統為例，介紹阻塞式與非阻塞式的概念。Linux 程序的執行模式分為用戶態和內核態，應用程序邏輯運行在用戶態，訪問系統資源的邏輯運行在內核態。其實現代操作系統都是這種模式。
當程序的執行邏輯從用戶態切換到內核態時，會引發上下文的切換，會涉及到數據從用戶態到內核態，或者是從內核態到用戶態拷貝的問題。這時，系統 API 會提供阻塞式和非阻塞式兩種調用方式。比如，我們調用 recv 函數接收 Socket 數據，recv 函數可以選擇阻塞式或者是非阻塞式調用模式，不同的模式，編程風格是完全不同。假如 Socket 的接收緩沖區沒有準備好要接收的數據，如果選擇阻塞式調用，那么應用線程會被阻塞在 recv 調用上，不能繼續執行，線程會處于等待狀態，直到系統準備好數據；如果選擇非阻塞式調用，那么應用線程不會被阻塞，recv 函數會立即返回。當系統準備好數據以后，會觸發一個讀事件，這就要求我們必須通過某種機制監聽讀事件，一般都是通過 I/O 多路復用機制來解決。
我們通過兩張圖來感受一下阻塞式和非阻塞式的差異。
阻塞式：
非阻塞式：
從以上兩張圖可以看出，如果 read 函數采用阻塞式調用 ，當內核沒有準備好的數據時，應用線程會被阻塞到 read 調用上，進入等待狀態，直到有數據可以讀取才返回。如果 read 函數采用非阻塞式調用，當內核沒有準備好數據時，read 函數會返回 EAGAIN，線程不會被阻塞。當系統準備好數據以后，會觸發一個讀事件。
對于邏輯比較簡單的場景，比如邏輯簡單的客戶端程序，可以采用阻塞式編程模型，這樣實現簡單，容易理解。對于邏輯比較復雜的場景，比如高性能服務器，必須采用非阻塞式編程模型，而且要配合 I/O 多路復用機制。
下來我們就介紹一下如何進行非阻塞式 Socket 編程。
3. Java 非阻塞式 Socket 編程
介紹 Java 非阻塞式 Socket 編程，就得介紹 Java NIO。Java NIO 是 Java New IO API，有時也解釋為 Java Non-blocking IO。通過 Java NIO 可以實現 Java 非阻塞 Socket 編程。
Java NIO 是 Java 1.4 支持的，它將 Socket 數據流抽象為一個 Channel（管道），Socket 數據讀寫是通過 Channel
實現的，并且提供了 Buffer 機制，提高數據讀寫的性能。Java NIO 通常用來編寫高性能 Java 服務器程序。在 Java 1.7 以后，Java NIO 對磁盤文件處理得到了增強，可以將 Socket I/O 和 文件 I/O 融合在 Java NIO 中。
Java NIO 提供的新的類結構如下：
| 類名稱 | 功能說明 |
|---|---|
| ServerSocketChannel | 表示服務端 TCP Socket 的監聽 Channel。ServerSocketChannel 提供的工廠方法 open，用于創建它的實例；同時它提供了 accept 方法用于在服務器中接收新的客戶端連接請求，返回值是 SocketChannel 類的實例。 |
| SocketChannel | SocketChannel 表示一個 TCP 通信 Channel，可以通過它的 open 方法創建，也可以通過 ServerSocketChannel 的 accept 方法創建。 |
| Selector | Java I/O 事件多路復用機制，用于同時監聽多個 Channel 的讀、寫、監聽事件 |
| SelectionKey | 用于表示具體的事件對象 |
| ByteBuffer | 通過 SocketChannel 進行數據讀寫，依賴 ByteBuffer |
ServerSocketChannel 和 SocketChannel 同時支持阻塞式和非阻塞式，默認是阻塞式?？梢酝ㄟ^如下的方法，打開非阻塞式。
// 配置監聽 ServerSocketChannel 為非阻塞模式
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
// 配置服務器新建立的 SocketChannel 為非阻塞模式
SocketChannel newSock = serverChannel.accept();
newSock.configureBlocking(false);
SocketAddress serverAddr = new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT);
SocketChannel sock = SocketChannel.open(serverAddr);
// 配置客戶端 SocketChannel 為非阻塞
sock.configureBlocking(false);
4. 小結
阻塞式 Socket 編程，程序結構簡單，容易編寫，容易理解。但是由于阻塞式 Socket 編程，在調用 recv、send 讀寫數據的時候，會阻塞線程，所以只能適應簡單的應用場景。對于編寫高性能服務器來說，必須采用非阻塞式 Socket 編程。但是非阻塞式 Socket 編程，程序結構要復雜很多，并且不容易理解，要想編寫健壯、穩定的程序不是一件容易的事情。
編寫 Java 非阻塞 Socket 程序，需要采用 Java NIO API，這些 API 的具體功能、具體用法，在后面小節介紹。
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