IO、NIO实现简单聊天室，附带问题解析
本篇文章主要使用IO和NIO的形式来实现一个简单的聊天室，并且说明IO方法存在的问题，而NIO又是如何解决的。
大概的框架为，先提供思路和大概框架图——代码——问题及解决方式，这样会容易看一点。
1. IO写法
1.1 思路框架
下面编写一个简单的聊天室，大概需要的功能就是服务端维护一个聊天室，里边的客户端发送消息之后服务将其消息转发给其他客户端，达到一个聊天室的效果。
大致的思路：服务端区分职责，分成两部分，主线程负责接收连接并把连接放入到线程池中处理，维护一个线程池，所有对于socket的处理都交给线程池中的线程来处理。如下图。
下面贴上demo代码（代码中有几处为了方便并没有采用最规范的定义方式，如线程池的创建和Map初始化的时候未设置初始容量等）
代码分五个类，服务端（ChatServer，监听作用，为服务端主线程）、客户端（ChatClient）、服务端处理器（ServerHandler，可以理解为线程池中要执行的事情）、客户端处理器（ClientHandler，客户端读写服务器消息的处理），工具类（SocketUtils，只有一个发送消息方法）。
1.2 demo代码
服务端：
/**
* 服务端启动类
* 主要负责监听客户端连接
*/
public class ChatServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
/*----------为了方便使用Executors创建线程-------------*/
ExecutorService handlerThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
try {
serverSocket = new ServerSocket(8888);
while (true) {
System.out.println("-----------阻塞等待连接------------");
Socket socket = serverSocket.accept();
String key = socket.getInetAddress().getHostAddress() + ":" + socket.getPort();
System.err.println(key + "已连接");
// 主线程只接收，处理直接交给处理线程池
handlerThreadPool.execute(new ServerHandler(socket));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
if (Objects.nonNull(serverSocket)) {
try {
serverSocket.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
}
}
}
}
}
服务端处理类：
/**
* 服务端socket事件处理类
* 负责处理对应socket中的读写操作
*/
public class ServerHandler implements Runnable {
/**
* 连接到服务端的所有连接 socket的地址端口->socket
*/
private static final Map<String, Socket> socketMap = new ConcurrentHashMap<>();
/**
* 维护名称和地址的map
*/
private static final Map<String, String> nameMap = new ConcurrentHashMap<>();
private Socket socket;
/**
* 每个socket的标识，使用地址+端口构成
*/
private String key;
public ServerHandler() {
}
public ServerHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
this.key = socket.getInetAddress().getHostAddress() + ":" + socket.getPort();
}
@Override
public void run() {
Socket s = socket;
// 根据消息执行不同操作
InputStream inputStream;
// debug查看数据用
// Map<String, Socket> tmpMap = socketMap;
try {
inputStream = s.getInputStream();
Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
while (true) {
String line = scanner.nextLine();
if (line.startsWith("register")) {
// 登记
String[] split = line.split(":");
String name = split[1];
String msg;
// 校验是否存在
if (socketMap.containsKey(key)) {
msg = "请勿重复登记";
sendMsg(s, msg);
return;
}
if (nameMap.containsValue(name)) {
msg = "名称已被登记，请换一个名称";
sendMsg(s, msg);
return;
}
// 通知自己已连接
sendMsg(s, "已连接到服务器");
msg = name + "进入聊天室";
// 将消息转发给其他客户端
sendMsgToClients(msg);
// 放入socket池
socketMap.put(key, s);
nameMap.put(key, name);
System.err.println(name + "已登记");
} else if (line.trim().equalsIgnoreCase("end")) {
if (notPassRegisterValidate()) {
continue;
}
// 断开连接
socketMap.remove(key);
String name = nameMap.get(key);
String msg = name + "离开聊天室";
System.err.println(msg);
// 将消息转发给其他客户端
sendMsgToClients(msg);
msg = "已断开连接";
// 发送给对应的连接断开信息
sendMsg(s, msg);
inputStream.close();
break;
} else {
if (notPassRegisterValidate()) {
continue;
}
// 正常通信
String name = nameMap.get(key);
String msg = name + ":" + line;
// 将消息转发给其他客户端
sendMsgToClients(msg);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 是否已登录校验
*
* @return 是否已登录
*/
private boolean notPassRegisterValidate() {
boolean hasRegister = nameMap.containsKey(key);
if (hasRegister) {
return false;
}
String msg = "您还未登录，请先登录";
sendMsg(socket, msg);
return true;
}
/**
* 往连接发送消息
*
* @param socket 客户端连接
* @param msg 消息
*/
private void sendMsg(Socket socket, String msg) {
SocketUtils.sendMsg(socket, msg);
if (socket.isClosed()) {
socketMap.remove(key);
}
}
/**
* 发送给其他客户端信息
*
* @param msg 信息
*/
private void sendMsgToClients(String msg) {
for (Map.Entry<String, Socket> entry : socketMap.entrySet()) {
if (this.key.equals(entry.getKey())) {
continue;
}
sendMsg(entry.getValue(), msg);
}
}
}
工具类（一个发送消息的方法）：
public class SocketUtils {
private SocketUtils() {
}
public static void sendMsg(Socket socket, String msg) {
Socket s = socket;
OutputStream outputStream = null;
msg += "\r\n";
try {
outputStream = s.getOutputStream();
outputStream.write(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
outputStream.flush();
} catch (IOException e) {
System.err.println("发送消息失败, 连接已断开");
try {
if (Objects.nonNull(outputStream)) {
outputStream.close();
}
socket.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
}
}
}
}
客户端：
/**
* 客户端读和写各自使用一个线程
*/
public class ChatClient {
public static void main(String[] args) {
Socket socket;
ExecutorService clientHandlerPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
try {
socket = new Socket("localhost", 8888);
// 写线程
clientHandlerPool.execute(new ClientHandler(socket, 1));
// 读线程
clientHandlerPool.execute(new ClientHandler(socket, 0));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
客户端处理器：
/**
* 客户端处理器
* 根据type来区分是做读工作还是写工作
*/
public class ClientHandler implements Runnable {
private Socket socket;
/**
* 处理类型，0-读、1-写
*/
private int type;
public ClientHandler() {
throw new IllegalArgumentException("不能使用没有参数的构造函数");
}
public ClientHandler(Socket socket, int type) {
this.socket = socket;
this.type = type;
}
@Override
public void run() {
if (type == 1) {
// 进行写操作
doWriteJob();
return;
}
// 默认读操作
doReadJob();
}
/**
* 读操作
*/
private void doReadJob() {
Socket s = socket;
InputStream inputStream;
try {
inputStream = s.getInputStream();
Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
while (true) {
String line = scanner.nextLine();
if (null != line && !"".equals(line)) {
System.err.println(line);
}
// 如果已退出了，那么关闭连接
if ("已断开连接".equals(line)) {
socket.close();
break;
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
try {
socket.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
}
}
}
/**
* 写线程
*/
private void doWriteJob() {
Socket s = socket;
try {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true) {
String output = scanner.nextLine();
if (Objects.nonNull(output) && !"".equals(output)) {
SocketUtils.sendMsg(s, output);
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
System.err.println("错误发生了:" + e.getMessage());
}
}
}
结果：
思考：当前这样实现有什么瓶颈，可能会出现什么问题？
存在问题：
- 服务端使用accept阻塞接收线程，连接一个一个处理，在高并发下处理性能缓慢。
- 没有连接的时候线程一直处于阻塞状态造成资源的浪费（如果使用多线程接收处理并发，那么没连接的时候造成多个线程的资源浪费）。
2. 使用NIO实现聊天室
2.1 整体思路
那我们来看下NIO是怎么解决上方的问题的，首先上这个demo整体的架构图。
大概的逻辑为
- 服务端将ServerSocketChannel注册到Selector中，客户端连接进来的时候事件触发，将客户端的连接注册到selector中。
- 主线程负责selector的轮询工作，发现有事件可以处理就将其交给线程池。
- 客户端同理分成两个部分，写操作和读操作，每个操作由一个线程单独完成；但是如果读操作处理使用while循环不断轮询等待接收的话，CPU会飙升，所以需要客户端新建一个selector来解决这个问题，注意这个selector跟服务端不是同一个，没有啥关系。
代码分类大致跟IO写法一样，分成服务端、服务端处理器、客户端、客户端处理器，下面为demo。
2.2 代码
服务端：
public class ChatServer {
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private static final ExecutorService handlerPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
public ChatServer() throws IOException {
this.selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9999));
// 将服务端的socket注册到selector中，接收客户端，并将其注册到selector中，其本身也是selector中的一个I/O事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.err.println("聊天室服务端初始化结束");
}
/**
* 启动方法
* 1.监听，拿到之后进行处理
*/
public void start() throws IOException {
int count;
while (true) {
// 可能出现select方法没阻塞，空轮询导致死循环的情况
count = selector.select();
if (count > 0) {
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
// 交给线程池处理
handlerPool.execute(new ServerHandler(key, selector));
// 处理完成后移除
iterator.remove();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
new ChatServer().start();
}
}
服务端处理器：
public class ServerHandler implements Runnable {
private SelectionKey key;
private Selector selector;
public ServerHandler() {
}
/**
* 本来可以通过key拿到selector，这里为了图方便就这样写了
*/
public ServerHandler(SelectionKey key, Selector selector) {
this.key = key;
this.selector = selector;
}
@Override
public void run() {
try {
if (key.isAcceptable()) {
// 说明是服务端的事件，注意这里强转换为的是ServerSocketChannel
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 接收连接
SocketChannel socket = channel.accept();
if (Objects.isNull(socket)) {
return;
}
socket.configureBlocking(false);
// 接收客户端的socket并且将其注册到服务端这边的selector中，注意客户端在此时跟服务端selector产生关联
socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.err.println("服务端已接收连接");
} else if (key.isReadable()) {
// 客户端发送信息过来了
doReadJob();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
// 错误处理
}
}
/**
* 读取操作
*/
private void doReadJob() throws IOException {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readCount = socketChannel.read(buffer);
if (readCount > 0) {
String msg = new String(buffer.array(), StandardCharsets.UTF_8);
System.err.println(socketChannel.getRemoteAddress().toString() + "的信息为:" + msg);
// 转发给其他客户端
sendMsgToOtherClients(msg);
}
}
/**
* 转发消息给其他客户端
*
* @param msg 消息
*/
private void sendMsgToOtherClients(String msg) throws IOException {
SocketChannel self = (SocketChannel) key.channel();
Set<SelectionKey> keys = selector.keys();
Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
SelectableChannel channel = selectionKey.channel();
// 如果是本身或者不是socketChannel类型则跳过
if (self.equals(channel) || channel instanceof ServerSocketChannel) {
continue;
}
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) channel;
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
socketChannel.write(byteBuffer);
}
}
}
客户端：
public class ChatClient {
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private static ExecutorService dealPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
public ChatClient() throws IOException {
/*
* 说明一下：
* 客户端这边的selector跟刚才在服务端定义的selector是不同的两个selector
* 客户端这边不需要selector也能实现功能，但是读取的时候必须不断的循环，会导致CPU飙升，
* 所以使用selector是为了解决这个问题的，别跟服务端的selector搞混就好
*/
selector = Selector.open();
socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
public void start() throws IOException, InterruptedException {
// 连接
// socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
while (!socketChannel.finishConnect()) {
System.err.println("正在连接...");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
}
System.err.println("连接成功");
// 使用两个线程来分别处理读取和写操作
// 写数据
dealPool.execute(new ClientHandler(selector, socketChannel, 1));
// 读取数据
dealPool.execute(new ClientHandler(selector, socketChannel, 0));
}
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
new ChatClient().start();
}
}
客户端处理器：
public class ClientHandler implements Runnable {
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
/**
* 0-读，1-写
*/
private int type;
public ClientHandler() {
}
public ClientHandler(Selector selector, SocketChannel socketChannel, int type) {
// selector是为了解决读时候CPU飙升的问题，具体见客户端的启动类代码注释
this.selector = selector;
this.socketChannel = socketChannel;
this.type = type;
}
@Override
public void run() {
try {
if (type == 0) {
doClientReadJob();
return;
}
doClientWriteJob();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 写操作
*/
private void doClientWriteJob() throws IOException {
SocketChannel sc = socketChannel;
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true) {
if (scanner.hasNextLine()) {
String line = scanner.nextLine();
if (null != line && !"".equals(line)) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(line.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
sc.write(buffer);
}
}
}
}
/**
* 读操作
*/
private void doClientReadJob() throws IOException {
SocketChannel sc = socketChannel;
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
while (true) {
int select = selector.select();
if (select > 0) {
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
// 这是必须的，不然下方的remove会出错
SelectionKey next = iterator.next();
// 这里因为只有本身这个客户端注册到客户端的selector中，所以有事件一定是它的，也就不用从key拿了，直接操作就行
buf.clear();
int read = sc.read(buf);
if (read > 0) {
String msg = new String(buf.array(), StandardCharsets.UTF_8);
System.err.println(msg);
}
// 事件处理完之后要移除这个key，否则的话selector.select()方法不会再读到这个key，即便有新的时间到这个channel来
iterator.remove();
}
}
}
}
}
结果图：
在编写的过程中发现了以下两点：
- select方法之后如果存在key，并且接下来的操作未对这个selectionKey做remove操作，那么下次的select不会再将其选入，即便有事件发生，也就是说，select方法不会选择之前已经选过的key。
- selector.select()方法中偶尔会出现不阻塞的情况。这就是NIO中的空轮询bug，也就是说，没有连接又不阻塞的话，while(true) ... 的写法就是一个死循环，会导致CPU飙升。
第二点问题在NIO框架（如netty）中都采用了比较好的解决方法，可以去查下如何解决的。接下来看下NIO的写法是否解决了IO写法中存在的问题：
服务端使用accept阻塞接收线程，连接一个一个处理，在高并发下处理性能缓慢。
答：上述写法中还是使用一个ServerSocketChannel来接收客户端，没有解决这个问题；但是可以通过使用线程池的方式来解决。也就是说将服务端的事件分成两个部分，第一个部分为接收客户端，使用一个线程池来维护；第二个部分为客户端的事件处理操作，也维护一个线程池来执行这些事件。
这样性能上去了，由于selector的存在也不会出现资源浪费的事情，netty就是这么做的哦。
没有连接的时候线程一直处于阻塞状态造成资源的浪费（如果使用多线程接收处理并发，那么没连接的时候造成多个线程的资源浪费）。
答：解决。NIO写法主要有selector不断轮询，不会出现没连接不作为的情况，而且多个连接的话也没有问题（参考1的回答）。
3. 小结
两种写法都有Reactor模式的影子，但是IO写法有明显的缺点就是如果没有连接会造成资源浪费的问题（采用多个接收连接的话更甚），而NIO中selector轮询机制就很好的解决了无连接时无作为的情况，并且在性能方面可以通过职责分类和线程池来得到改善，所以，NIO，永远滴神。
需要压力，需要努力。
