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陳子興 · 更新于 2021-07-02

如何封裝一個非阻塞式 Java 網絡庫

1. 前言

到目前為止，我們已經學完了 Java 網絡編程的所有關鍵知識點，如果能將這些知識點靈活應用到項目中，那再好不過了。本小節將從實戰的角度出發，展示如何基于 Java NIO 封裝一個非阻塞式網絡庫。核心是采用事件反應器模型，將復雜的 SocketChannel、ServerSocketChannel、ByteBuffer、Selector 進行抽象，將繁瑣的數據讀寫操作加以封裝，以便應用程序調用。

本項目提供的完整代碼路徑：

2. 系統類圖

在 OOD 的思想體系下，現實世界中無論是具體的、還是抽象的事物，都是對象，現實世界就是由對象組成的。對象有自己的屬性和行為，對象之間可以產生聯系。把具有相同屬性和行為的對象叫做同一類對象，抽象出類。OOD 的思想非常符合人的思維方式，更容易建模和抽象。如果你對 OOD 不是很熟悉的話，可以查閱相關資料學習。

我們現在的工作是要把 Java NIO 中的各個組件加以抽象，抽象出一個或若干個類，通過 UML 展現出來，類圖如下：

圖片描述

下來我們就解釋一下以上幾個接口和實現類的功能：

類名 功能
Poller Java NIO Selector 事件多路復用機制的封裝，實現事件循環機制，是一個事件反應器，是一個功能實現類
IOHandler 是 Poller 的配套類，響應accept、connect、read、write事件，是一個 Java 接口
SocketHandler 是一個功能類，實現了 IOHandler 接口，將一些通用的邏輯加以封裝
Acceptor 實現 TCP 服務器監聽功能，繼承自 SocketHandler
TcpHandler TCP 客戶端、服務器邏輯的封裝，繼承自 SocketHandler。主要完成客戶端連接，服務器接收新連接，數據收發，關閉連接的功能
IOAdapter 事件循環機制向應用層提供的一個回調接口，一般由 IOHandler 調用
AbstractAdapter 是一個 Java 接口，主要完成通用邏輯，實現了 IOAdapter 接口
Listener 事件監聽接口，主要實現線程切換的功能
CustomEventObject 代表一個具體事件，是 Listener 的配套類
IOThread 對 Java 線程的封裝，聚合了 Poller 功能。我們說過 Java 的 Selector 其實是同步的，需要一個線程調用 select 監聽事件
ThreadPool 對 IOThread 的封裝，提供線程池功能

3. 接口設計

軟件的接口是指軟件模塊對外提供的一組函數或者方法，目的是讓別的模塊訪問本模塊的功能，以達到組件復用的目的。根據模塊邏輯復雜度的不同，接口由分為：系統接口、子系統接口、模塊接口、子模塊接口、類接口。關于模塊、子模塊、類的應用都非常靈活，我們這里認為類就是最小的模塊。

本小節所說的接口是指 Java 接口。我們抽象了三個 Java 接口：Listener、IOHandler、IOAdapter，還有一個功能類 Poller?，F在對每個接口中的方法加以說明：

  • Poller
類名 接口名 描述
Poller register 將 IOHandler 實例添加到 Poller
start 啟動一個 Poller 實例
close 停止一個 Poller 實例
poll Poller 進入事件循環
  • IOHandler
類名 接口名 描述
IOHandler handle_read 是一個回調方法，當 Poller 監聽到某個 IOHandler 注冊的讀事件觸發時，調用 handle_read
handle_write 是一個回調方法，當 Poller 監聽到某個 IOHandler 注冊的寫事件觸發時，調用 handle_write
handle_accept 是一個回調方法，當 Poller 監聽到某個 IOHandler 注冊的accept事件觸發時，調用 handle_accept
handle_connected 是一個回調方法，當 Poller 監聽到某個 IOHandler 注冊的connected事件觸發時，調用 handle_connected
getSocketChannel 用于獲取 IOHandler 對應的 SocketChannel 對象

IOHandler 是一個抽象接口，TcpHandler 需要實現此接口，當然你也可以實現其他協議，只需要擴展 IOHandler 的接口即可。

  • IOAdapter
類名 接口名 描述
IOAdapter onAccept 當 IOHandler 收到一個新的 TCP 連接時，在 handle_read 中回調此方法
onConnected 當 io_hanIOHandlerdler 完成異步連接時，在 handle_connected 中回調此方法
onRead IOHandler 會在 handle_read 中回調此方法
onWrite IOHandler 會在 handle_write 中回調此方法
onClose IOHandler 收到連接被關閉時，回調此方法
setSocketHandler 向 IOAdapter 設置一個 IOHandler 對象

應用層需要實現 IOAdapter 的接口，并且要覆蓋接口中的方法，完成數據收發。

  • Listener
類名 接口名 描述
Listener process 處理異步事件

4. 總結

本小節主要是將前面小節介紹的 Java NIO 相關模塊進行一個抽象，形成一個非阻塞的 Java 網絡庫。采用的設計思想就是依賴倒轉，將復雜的網絡編程細節進行封裝，讓應用程序員不需要關注這些復雜的機制。

我們抽象出了一組接口和一組功能類，并對類的功能和接口中的方法進行了一一說明。本小節可以說是對整個系列內容的總結和實踐。