陳子興 ·如何封裝一個(gè)非阻塞式 Java 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)
1. 前言
到目前為止，我們已經(jīng)學(xué)完了 Java 網(wǎng)絡(luò)編程的所有關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，如果能將這些知識(shí)點(diǎn)靈活應(yīng)用到項(xiàng)目中，那再好不過(guò)了。本小節(jié)將從實(shí)戰(zhàn)的角度出發(fā)，展示如何基于 Java NIO 封裝一個(gè)非阻塞式網(wǎng)絡(luò)庫(kù)。核心是采用事件反應(yīng)器模型，將復(fù)雜的 SocketChannel、ServerSocketChannel、ByteBuffer、Selector 進(jìn)行抽象，將繁瑣的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作加以封裝，以便應(yīng)用程序調(diào)用。
本項(xiàng)目提供的完整代碼路徑：
2. 系統(tǒng)類圖
在 OOD 的思想體系下，現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)論是具體的、還是抽象的事物，都是對(duì)象，現(xiàn)實(shí)世界就是由對(duì)象組成的。對(duì)象有自己的屬性和行為，對(duì)象之間可以產(chǎn)生聯(lián)系。把具有相同屬性和行為的對(duì)象叫做同一類對(duì)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(duì) OOD 不是很熟悉的話，可以查閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)。
我們現(xiàn)在的工作是要把 Java NIO 中的各個(gè)組件加以抽象，抽象出一個(gè)或若干個(gè)類，通過(guò) UML 展現(xiàn)出來(lái)，類圖如下：
下來(lái)我們就解釋一下以上幾個(gè)接口和實(shí)現(xiàn)類的功能：
| 類名 | 功能 |
|---|---|
| Poller | Java NIO Selector 事件多路復(fù)用機(jī)制的封裝，實(shí)現(xiàn)事件循環(huán)機(jī)制，是一個(gè)事件反應(yīng)器，是一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)類 |
| IOHandler | 是 Poller 的配套類，響應(yīng)accept、connect、read、write事件，是一個(gè) Java 接口 |
| SocketHandler | 是一個(gè)功能類，實(shí)現(xiàn)了 IOHandler 接口，將一些通用的邏輯加以封裝 |
| Acceptor | 實(shí)現(xiàn) TCP 服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)功能，繼承自 SocketHandler |
| TcpHandler | TCP 客戶端、服務(wù)器邏輯的封裝，繼承自 SocketHandler。主要完成客戶端連接，服務(wù)器接收新連接，數(shù)據(jù)收發(fā)，關(guān)閉連接的功能 |
| IOAdapter | 事件循環(huán)機(jī)制向應(yīng)用層提供的一個(gè)回調(diào)接口，一般由 IOHandler 調(diào)用 |
| AbstractAdapter | 是一個(gè) Java 接口，主要完成通用邏輯，實(shí)現(xiàn)了 IOAdapter 接口 |
| Listener | 事件監(jiān)聽(tīng)接口，主要實(shí)現(xiàn)線程切換的功能 |
| CustomEventObject | 代表一個(gè)具體事件，是 Listener 的配套類 |
| IOThread | 對(duì) Java 線程的封裝，聚合了 Poller 功能。我們說(shuō)過(guò) Java 的 Selector 其實(shí)是同步的，需要一個(gè)線程調(diào)用 select 監(jiān)聽(tīng)事件 |
| ThreadPool | 對(duì) IOThread 的封裝，提供線程池功能 |
3. 接口設(shè)計(jì)
軟件的接口是指軟件模塊對(duì)外提供的一組函數(shù)或者方法，目的是讓別的模塊訪問(wèn)本模塊的功能，以達(dá)到組件復(fù)用的目的。根據(jù)模塊邏輯復(fù)雜度的不同，接口由分為：系統(tǒng)接口、子系統(tǒng)接口、模塊接口、子模塊接口、類接口。關(guān)于模塊、子模塊、類的應(yīng)用都非常靈活，我們這里認(rèn)為類就是最小的模塊。
本小節(jié)所說(shuō)的接口是指 Java 接口。我們抽象了三個(gè) Java 接口：Listener、IOHandler、IOAdapter，還有一個(gè)功能類 Poller。現(xiàn)在對(duì)每個(gè)接口中的方法加以說(shuō)明：
- Poller
| 類名 | 接口名 | 描述 |
|---|---|---|
| Poller | register | 將 IOHandler 實(shí)例添加到 Poller |
| start | 啟動(dòng)一個(gè) Poller 實(shí)例 | |
| close | 停止一個(gè) Poller 實(shí)例 | |
| poll | Poller 進(jìn)入事件循環(huán) |
- IOHandler
| 類名 | 接口名 | 描述 |
|---|---|---|
| IOHandler | handle_read | 是一個(gè)回調(diào)方法，當(dāng) Poller 監(jiān)聽(tīng)到某個(gè) IOHandler 注冊(cè)的讀事件觸發(fā)時(shí)，調(diào)用 handle_read |
| handle_write | 是一個(gè)回調(diào)方法，當(dāng) Poller 監(jiān)聽(tīng)到某個(gè) IOHandler 注冊(cè)的寫(xiě)事件觸發(fā)時(shí)，調(diào)用 handle_write | |
| handle_accept | 是一個(gè)回調(diào)方法，當(dāng) Poller 監(jiān)聽(tīng)到某個(gè) IOHandler 注冊(cè)的accept事件觸發(fā)時(shí)，調(diào)用 handle_accept | |
| handle_connected | 是一個(gè)回調(diào)方法，當(dāng) Poller 監(jiān)聽(tīng)到某個(gè) IOHandler 注冊(cè)的connected事件觸發(fā)時(shí)，調(diào)用 handle_connected | |
| getSocketChannel | 用于獲取 IOHandler 對(duì)應(yīng)的 SocketChannel 對(duì)象 |
IOHandler 是一個(gè)抽象接口，TcpHandler 需要實(shí)現(xiàn)此接口，當(dāng)然你也可以實(shí)現(xiàn)其他協(xié)議，只需要擴(kuò)展 IOHandler 的接口即可。
- IOAdapter
| 類名 | 接口名 | 描述 |
|---|---|---|
| IOAdapter | onAccept | 當(dāng) IOHandler 收到一個(gè)新的 TCP 連接時(shí)，在 handle_read 中回調(diào)此方法 |
| onConnected | 當(dāng) io_hanIOHandlerdler 完成異步連接時(shí)，在 handle_connected 中回調(diào)此方法 | |
| onRead | IOHandler 會(huì)在 handle_read 中回調(diào)此方法 | |
| onWrite | IOHandler 會(huì)在 handle_write 中回調(diào)此方法 | |
| onClose | IOHandler 收到連接被關(guān)閉時(shí)，回調(diào)此方法 | |
| setSocketHandler | 向 IOAdapter 設(shè)置一個(gè) IOHandler 對(duì)象 |
應(yīng)用層需要實(shí)現(xiàn) IOAdapter 的接口，并且要覆蓋接口中的方法，完成數(shù)據(jù)收發(fā)。
- Listener
| 類名 | 接口名 | 描述 |
|---|---|---|
| Listener | process | 處理異步事件 |
4. 總結(jié)
本小節(jié)主要是將前面小節(jié)介紹的 Java NIO 相關(guān)模塊進(jìn)行一個(gè)抽象，形成一個(gè)非阻塞的 Java 網(wǎng)絡(luò)庫(kù)。采用的設(shè)計(jì)思想就是依賴倒轉(zhuǎn)，將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，讓?xiě)?yīng)用程序員不需要關(guān)注這些復(fù)雜的機(jī)制。
我們抽象出了一組接口和一組功能類，并對(duì)類的功能和接口中的方法進(jìn)行了一一說(shuō)明。本小節(jié)可以說(shuō)是對(duì)整個(gè)系列內(nèi)容的總結(jié)和實(shí)踐。
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