JAVA NIO Socket通道

概述

通道提供I/O服務的直接連接，用於緩衝區與文件或者Socket之間傳輸數據。JAVA中只定義了一個接口來完成對通道的抽象，在這個接口中只定義了關閉與是否打開兩個方法。在此接口的基礎上又分別抽象了可讀通道、可寫通道、可中斷通道、字節通道等，其類結構圖如下：

ReadableByteChannel：可讀取字節的通道

WritableByteChannel：可寫入字節的通道
InterruptibleChannel：可被異步關閉和中斷的通道
GatheringByteChannel：可從緩衝區序列寫入字節的通道 
ScatteringByteChannel：可將字節讀入緩衝區序列的通道
SelectableChannel：可通過 Selector 實現多路複用的通道

Socket通道(用於監聽的通道ServerSocketChannel、連接套接字的通道SocketChannel和麪向數據報套接字的通道DatagramChannel)都是在以上通道的基礎上擴展的，這些通道類都可以運行非阻塞模式並且是可選擇的。

通道是一個連接I/O服務並提供與該服務交互的方法。就某個socket而言，它不會再次實現與之對應的socket通道類中的socket協議API，通道類在實例化時都會創建一個對等socket對象，對等socket可以通過調用socket()方法從一個通道上獲取。雖然每個socket通道都有一個關聯的socket對象，卻並非所有的socket都有一個關聯的通道。如果用傳統方式（直接實例化）創建了一個Socket對象，不會有關聯的SocketChannel並且它的getChannel( )方法將總是返回null。

傳統的socket總是阻塞方式進行工作，嚴重影響應用的擴展性，這些socket通道類有一個公共的父類SelectableChannel，通過調用父類的configureBlocking和isBlocking方法來設置是否阻塞和檢測是否阻塞。

ServerSocketChannel

監聽套接字通道，與ServerSocket是一個對等體，ServerSocket中的API在這裏也適用，這裏主要看看它的accept方法，accept方法主要做了幾下幾件事：
1、確保此通道是打開的且已被綁定，否則會拋出異常；
2、調用本地方法建立一個socket連接，socket有對應的文件描述符和InetSocketAddress
3、進行安全檢查
4、設置爲阻塞模式，構建一個SocketChannel，然後返回
因此，不管此通道的阻塞模式如何，此方法返回的套接字通道（如果有）將處於阻塞模式。 
如果此通道處於非阻塞模式，那麼在不存在掛起的連接時，此方法將直接返回 null，這樣可以提高程序的可伸縮性並降低複雜度，檢查是否連接的代碼如下：

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open( );
ssc.socket().bind (new InetSocketAddress (port)); 
//非阻塞
ssc.configureBlocking (false); 

while (true) { 
	SocketChannel sc = ssc.accept( ); 
		
	// 在非阻塞模式下，當沒有連接在等待時會返回null
	if (sc == null) { 
		Thread.sleep(TIME);
	else { 
		doSomeThing();
		sc.close();
	}
}

SocketChannel

面向連接的套接字通道，其對等體是socket。通過在通道上直接調用connect( )方法或在通道關聯的Socket對象上調用connect( )來將該socket通道連接：
(1)如果選擇使用傳統方式進行連接，線程在連接建立好或超時過期之前都將保持阻塞；
(2)如果選擇在通道上直接調用connect( )方法來建立連接並且通道處於阻塞模式（默認模式），那麼連接過程和(1)是一樣的；
(3)如果在非阻塞模式下調用通道的connect()方法進行連接會立即返回，如果返回值是true，說明連接立即建立了，如果連接不能立即建立，connect( )方法會返回false且併發地繼續連接建立過程。後續可以通過調用finishConnect( )方法來完成連接過程，該方法任何時候都可以安全地進行調用。

假如在一個非阻塞模式的SocketChannel對象上調用finishConnect( )方法，將可能出現下列情形之一：

1、connect( )方法尚未被調用，那麼將產生NoConnectionPendingException異常；
2、連接建立過程正在進行尚未完成，那麼什麼都不會發生，finishConnect( )方法會立即返回false值；
3、在非阻塞模式下調用connect( )方法之後，SocketChannel又被切換回了阻塞模式，調用線程會阻塞直到連接建立完成，finishConnect( )方法接着就會返回true； 
4、調用後剛好連接過程已經完成，那麼SocketChannel對象的內部狀態將被更新到已連接狀態，finishConnect( )方法會返回true；
5、連接已經建立，再次調用什麼都不會發生，finishConnect( )方法會返回true。

這裏提下狀態更新，在非阻塞下調用connect方法時，狀態爲ST_PENDING，在此狀態下isConnected()方法返回false，由於在進行讀寫操作前要確保通道是連接的，所以這個狀態下的通道還不能進行讀寫操作，狀態由ST_PENDING變爲ST_CONNECTED正是在finishConnect方法中完成的。

Socket通道是線程安全的。併發訪問時無需採用特別措施來保護髮起訪問的多個線程。connect( )和finishConnect( )方法是互相同步的(都會鎖住readLock和writeLock)，並且只要其中一個操作正在進行，任何讀或寫的方法調用都會被阻塞，即使是在非阻塞模式下。如果不能忍受一個讀或寫操作在某個通道上阻塞，最好先調用isConnected( )方法檢查連接狀態。

DatagramChannel

面向數據報套接字通道，與面向流的的socket不同，DatagramChannel既可以發送單獨的數據報給不同的目的地址，也可以接收來自任意地址的數據包。DatagramChannel中有兩組讀寫方法read/write和send/receive，前者只能在建立連接後才能使用。
數據報socket的無狀態性質不需要同遠程系統進行對話來建立連接狀態，由於此原因，DatagramChannel上也就沒有單獨的finishConnect( )方法。我們可以使用isConnected( )方法來測試一個數據報通道的連接狀態。不同於SocketChannel（必須連接了纔有用並且只能連接一次），DatagramChannel對象可以任意次數地進行連接或斷開連接。每次連接都可以到一個不同的遠程地址。調用disconnect( )方法可以配置通道，以便它能再次接收來自安全管理器（如果已安裝）所允許的任意遠程地址的數據或發送數據到這些地址上。

當一個DatagramChannel處於已連接狀態時，發送數據將不用提供目的地址而且接收時的源地址也是已知的。這意味着DatagramChannel已連接時可以使用常規的read( )和write( )方法。

以下是send()方法的部分源碼，該方法會驗證安全管理器的 checkConnect 方法是否允許使用該數據報的目標地址和端口號，避免此項安全檢查開銷的方法是先通過connect 方法連接該套接字。 

 synchronized (stateLock) {
      if (!isConnected()) {
          if (target == null)
              throw new NullPointerException();
          SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
          if (sm != null) {
              if (ia.isMulticastAddress()) {
                  sm.checkMulticast(isa.getAddress());
              } else {
                  sm.checkConnect(isa.getAddress().getHostAddress(),
                                  isa.getPort());
              }
          }
      } else { // Connected case; Check address then write
          if (!target.equals(remoteAddress)) {
              throw new IllegalArgumentException(
                  "Connected address not equal to target address");
          }
          return write(src);
      }
  }

還可以看出對於已連接的send方法就是調用的write方法來實現的。