近来在学习Java NIO网络开发知识，写了一个基于Java NIO的多人在线聊天工具MyChat练练手。源码公开在Coding上：
https://coding.net/u/hust_wsh/p/MyChat/git ，开发环境是Ubuntu14.04+Eclipse Mars+JDK1.8。
编写一个基于Java NIO的多人在线聊天工具，需要以下几方面的知识：客户端服务器模型，Java NIO中的Selector，Channel，ByteBuffer，Collections以及序列化和反序列化的知识。下面来对照源码逐一剖析MyChat的源码构成：
一.服务器
为了便于实时分析服务器在线人数和聊天室列表，需要在服务器端提供一个交互接口，也就是获取System.in的输入，执行相应的操作，如下所示：
System.out.println("===输入选择项===");
System.out.println("1.获取用户列表；2.获取聊天室列表；3.获取指定聊天室成员；4.关闭服务器");
boolean isExit=false;
Scanner scanner=new Scanner(System.in);
由于主线程需要运行交互界面，这样一来执行与客户端交互任务的代码就要放在另外一个线程中了：
ChatServer server=new ChatServer(); Thread serverThread=new Thread(server,"聊天服务器"); serverThread.setDaemon(true);//后台进程 serverThread.start();
接下来将分别介绍服务器端的实现类ChatServer的关键成员：
private Selector mSelector=null;//用于注册所有连接到服务器的SocketChannel对象
//保存所有用户的Map private Map<String,UserEntity> mUsers=Collections.synchronizedMap(new HashMap<String,UserEntity>());
//保存所有聊天室的Map
private Map<String,ChatRoom> mRooms=Collections.synchronizedMap(new HashMap<String,ChatRoom>());//聊天室
第一个成员变量mSelector是一个Selector对象,用于管理所有连接到服务器的Channel，为了管理多个通道的读写，要将不同的通道注册到一个Selector对象上。每个通道分配有一个SelectionKey。然后程序可以询问这个Selector对象，哪些通道已经准备就绪可以无阻塞的完成你希望完成的操作，可以请求Selector对象返回相应的键集合。通过调用Selector类的唯一构造函数：静态工厂方法open()来创建新的选择器，并通过register()方法注册通道。
mSelector=Selector.open(); ServerSocketChannel server=ServerSocketChannel.open(); InetSocketAddress isa=new InetSocketAddress(mHost, mPort); server.bind(isa);//绑定指定端口 server.configureBlocking(false); server.register(mSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("服务器在"+mPort+"端口启动成功");
注册成功后，就可以通过Selector的select()方法查询已经就绪的通道。
while(mSelector.select()>0) { Iterator<SelectionKey> iterator=mSelector.selectedKeys().iterator(); while(iterator.hasNext()) { SelectionKey sk=iterator.next(); iterator.remove();
select()方法用于查询注册到Selector上的待处理的就绪Channel，是一个阻塞方法，直到至少有一个注册的Channel准备好之后就可以进行处理。SelectionKey对象相当于通道的指针，可以保存通道的连接状态。Selector对象的selectedKeys()方法可以返回所有注册Channel的SelectionKey。接下来可以通过isAccetable()，isReadable()，isWritable()等方法测试该键能进行的操作。
ServerSocketChannel类只有一个目的：接受入站连接。通过注册到Selector对象来获取入站连接通知，如下所示：
if(sk.isAcceptable()) { SocketChannel sc=server.accept();//开始接收客户端连接 sc.configureBlocking(false); sc.register(mSelector, SelectionKey.OP_READ); sk.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); }
接下来可以通过sk.isReadable()进入处理客户端数据的代码块：
if(sk.isReadable())//有数据 { SocketChannel sc=(SocketChannel)sk.channel(); ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024); ByteArrayOutputStream boStream=new ByteArrayOutputStream(); try { while(sc.read(buffer)>0)//TODO:性能问题 { buffer.flip(); boStream.write(Arrays.copyOfRange(buffer.array(), 0, buffer.limit())); } byte[] frame=boStream.toByteArray(); boStream.close();
为了能进一步讲明白为什么需要上面这种方式读取客户端信息，这里先插入讲解一下服务器和客户端交互的信使类Message。为了提升扩展性，我定义了一个Serializable类Message，用于服务器和客户端之间进行交互(如登录，返回结果，创建聊天室等)。Message类的定义如下：
1 class Message implements Serializable 2 { 3 private static final long serialVersionUID = 1L; 4 private Map<FieldType,String> fields=new HashMap<>();//TODO：泛型支持，任意消息类型，包括文本，图片，语音，视频，文件等 5 private Commands command; 6 public Message(Commands command) 7 { 8 this.command=command; 9 } 10 public Commands getCommand() 11 { 12 return this.command; 13 } 14 public Message set(FieldType key,String value) 15 { 16 if(key!=null&&value!=null) 17 { 18 fields.put(key,value); 19 } 20 return this; 21 } 22 public String get(FieldType key) 23 { 24 return fields.get(key); 25 } 26 27 public byte[] toBytes() 28 { 29 return SerializeHelper.serialize(this); 30 } 31 32 public ByteBuffer wrap() 33 { 34 byte[] frame=toBytes(); 35 return ByteBuffer.wrap(frame); 36 } 37 }
其中有两个关键的成员：一个Map型的用于保存数据的field成员和一个枚举类型的用于表明命令类型的command成员。其中Command枚举定义如下：
enum Commands{ LOG_IN, LOG_OUT, QUERY_USERS, QUERY_ALL_CHAT_ROOMS, QUERY_MY_CHAT_ROOMS, QUERY_ROOM_MEMBERS, HEART_BEAT, MSG_P2P,//个人对个人的消息 MSG_P2R,//聊天室消息 CREATE_CHAT_ROOM, JOIN_CHAT_ROOM, LEAVE_CHAT_ROOM, SET_USER_NAME; };
另外，为了指名携带数据的类型，定义了一个FieldType枚举，如下：
enum FieldType{ USER_ID, USER_NAME, PASS_WD, PEER_ID,//单聊对象的ID ROOM_ID,//聊天室ID USER_LIST,//用户列表 ROOM_LIST_ALL,//所有房间列表 ROOM_LIST_ME,//我的聊天室列表 ROOM_MEMBERS,//用户列表 MSG_TXT, RESPONSE_STATUS, ENCODING; };
这样一来，服务器和客户端就可以通过这种可序列化的Message相互通信了。具体就是客户端将要发送给服务器的数据封装在Message对象中后，通过SocketChanne发送到服务器，服务器收到数据后通过反序列化获取原始的Message对象，并根据command成员来判断接收到的是什么类型的Message，如登录，点对点消息等。
Message msg=(Message)SerializeHelper.deSerialize(frame); if(msg!=null) { String userId=msg.get(FieldType.USER_ID); switch (msg.getCommand()) { case LOG_IN: { System.out.println("用户"+userId+"请求登录..."); Message message=new Message(Commands.LOG_IN); //TODO:检查用户名密码，暂时没有注册功能，就只检测用户名是否重复 if(!mUsers.containsKey(userId)) { message.set(FieldType.RESPONSE_STATUS,"成功"); System.out.println("用户"+userId+"登录成功"); UserEntity user=new UserEntity(userId,sc); mUsers.put(userId,user); } else { message.set(FieldType.RESPONSE_STATUS,"该帐号已经登录"); } //发送登录结果 sendRawMessage(sc, message); break; }
这里出现的mUsers对象，就是我要介绍的服务器端第二个重要的成员变量，mUsers是一个用Collections.synchronizedSet封装的支持多线程访问的HashSet，用于保存[用户ID->用户对象]的映射。所谓用户对象就是另外定义的一个用于保存用户基本信息的类，其中包含了用户的id，passwd，对应的SocketChannel和所加入的聊天室集合。如下所示：
class UserEntity{ private String mUserId; private String mPassWd; private SocketChannel mSocketChannel; private Set<String> mJoinedRooms=Collections.synchronizedSet(new HashSet<String>());
服务器端还有一个重要的成员变量，用于保存服务器端所有聊天室的集合，也是一个用Collections.synchronizedSet封装的HashSet，用于保存[聊天室ID->聊天室对象]的映射。聊天室对象是专门定义的一个保存聊天室基本信息的类，其中包含了聊天室id，聊天室成员集合。如下所示：
final class ChatRoom { private String mRoomId=null; private Set<String> mUsers=Collections.synchronizedSet(new HashSet<String>());
到此，服务器端的代码基本剖析完毕，接下来我们看看客户端的代码。
二.客户端
客户端的代码相对服务器来说要简单许多，一个典型的NIO客户端程序连接服务器流程如下所示：
mSelector=Selector.open(); InetSocketAddress remote=new InetSocketAddress(host, port); mSocketChannel=SocketChannel.open(remote); mSocketChannel.configureBlocking(false); mSocketChannel.register(mSelector, SelectionKey.OP_READ);
其中注册Selector的接口几乎与服务器一致，除了传递给register方法的第二个参数不同。注册完通道后就可以向服务器发送登录请求了：
Message message=new Message(Commands.LOG_IN); message.set(FieldType.USER_ID, userid); message.set(FieldType.PASS_WD, passwd); sendRawMessage(message);
其中sendRawMessage是一个私有方法，用于将Message序列化后使用ByteBuffer通过SocketChannel发送到服务器端，具体代码如下：
private void sendRawMessage(Message message) { if(mSocketChannel!=null&&message!=null) { try { mSocketChannel.write(message.wrap()); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } }
我为Message类设计了一个wrap()方法可以将Message序列化后的byte[]包装成ByteBuffer返回，从而可以直接作为SocketChannel.write()方法的参数。具体代码可以参考文章开头的Git仓库。
与服务器一样，客户端需要接收用户输入，从而也将与服务器交互的部分放在单独的线程运行。我将这个线程类放在ChatClient类的内部作为嵌套类，这样可以直接访问外部类的成员变量，为线程之间通信提供便利。
三.实例分析
介绍完服务器和客户端的设计之后，下面以创建聊天室为例详细介绍客户端和服务器端的通信流程。
当客户端登录到服务器中后，服务器会保存客户端的用户ID以及对应的SocketChannel信息，客户端通过一条创建聊天室的Message向服务器申请创建聊天室：
Message message=new Message(Commands.CREATE_CHAT_ROOM); message.set(FieldType.USER_ID,mUserId ); message.set(FieldType.ROOM_ID, roomId); sendRawMessage(message);
如上所示，该Message的命令字是Commands.CREATE_CHAT_ROOM，包含了两个域，分别是创建者的ID和待创建的房间ID（这里为了设计简便，将ID和名称等同为一个概念，实际中ID应该是一个唯一的整型量，名称是聊天室的名字，可以重复）。服务器端通过反序列化Message，并提取对应的命令字进入对应的处理逻辑：
case CREATE_CHAT_ROOM: { System.out.println("用户"+userId+"请求创建聊天室"); String roomId=msg.get(FieldType.ROOM_ID); Message message=new Message(Commands.CREATE_CHAT_ROOM); if(!StringHelper.isNullOrTrimEmpty(roomId)) { if(!mRooms.containsKey(roomId)) { ChatRoom room=new ChatRoom(roomId); room.addUser(userId); mRooms.put(roomId, room); UserEntity user=mUsers.get(userId); if(user!=null) user.joinRoom(roomId); message.set(FieldType.RESPONSE_STATUS, "成功"); } else { message.set(FieldType.RESPONSE_STATUS, "创建失败，已存在同名聊天室"); } } else//返回错误消息 { message.set(FieldType.RESPONSE_STATUS, "创建失败，聊天室名称不能为空"); } sendRawMessage(sc, message); break; }
我们来仔细分析下上面的代码。首先从Message中提取到了userId和roomId，然后判断服务器端mRooms集合是否已经存在同名聊天室，如果不存在，则创建一个新的聊天室:ChatRoom room=new Chat(roomId)。并将创建者本人加入到聊天室用户列表中:room.addUser(userId)。同时，为了方便查找用户加入的所有聊天室，还将该聊天室的ID通过UserEntity的joinRoom()方法保存到了UserEntity的聊天室集合中，最后将表示正确结果的Message发送给请求客户端；反之如果已经存在同名聊天室，则将包含错误信息的Message发送给客户端。而客户端负责与服务器端交互的线程则通过反序列化Message获取操作结果，并显示给用户。
为了更加直观地展示MyChat的工作流程，将终端运行的结果整了几张截图附在下面：
客户端1：
客户端2：
服务器端：
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