Java 网络编程（续）

2021-09-22

Java Java进阶

1.NIO编程

Non-Blocking I/O
提供非阻塞通讯等方式
避免同步I/O通讯效率过低
一个线程可以管理多个连接
减少线程多的压力

主要类

Buffer 缓存区
Channel 通道
Selector多路选择器

Buffer

Buffer 缓冲区，一个可以读写的内存区域
- ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer (StringBuffer 不是Buffer缓冲区)
四个主要属性
- capacity 容量
- position 读写位置
- limit 界限
- mark 标记，用于重复一个读/写操作
使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：
- 写入数据到Buffer
- 调用flip()方法
- 从Buffer中读取数据
- 调用clear()方法或者compact()方法

Buffer的分配

allocate方法

1	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

向Buffer中写数据
- 从Channel写到Buffer
1
int bytesRead = inChannel.read(buf);
- 通过Buffer的put()方法写入Buffer
1
buf.put(127);
flip()方法
- flip方法将Buffer从写模式切换到读模式
- 调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值
从Buffer中读数据
- 从Buffer读取数据到Channel
1
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
- 使用get()方法从Buffer中读取数据
1
byte aByte = buf.get();
clear()与compact()方法
- clear()
  - position将被设回0，limit被设置成 capacity的值
  - Buffer 被清空了，但Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据
- compact()
  - 将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设到最后一个未读元素正后面
  - limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity
  - 不会覆盖未读的数据

Channel

全双工的，支持读/写(而Stream流是单向的)
支持异步读写
和Buffer配合，提高效率
ServerSocketChannel 服务器TCP Socket 接入通道，接收客户端
SocketChannel TCP Socket通道，可支持阻塞/非阻塞通讯
DatagramChannel UDP 通道
FileChannel 文件通道

SocketChannel

打开SocketChannel

1 2	SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));

关闭SocketChannel
- close()
1
socketChannel.close();

**读取SocketChannel **

read()

1 2	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48); int bytesRead = socketChannel.read(buf);

写入SocketChannel

write()

String newData = "New String to write to file...";
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

Selector

每隔一段时间，不断轮询注册在其上的Channel
如果有一个Channel有接入、读、写操作，就会被轮询出来
根据SelectionKey可以获取相应的Channel，进行后续IO操作
避免过多的线程
SelectionKey四种类型
- OP_CONNECT (连接就绪某个Channel成功连接到另一个服务器)
- OP_ACCEPT (接收就绪一个ServerSocketChannel准备好接收新进入的连接)
- OP_READ (读就绪有数据可读的通道)
- OP_WRITE (写就绪等待写数据的通道)
Selector的创建
- Selector.open()方法
1
Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道

SelectableChannel.register()方法

1 2	channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

通过Selector选择通道
一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道
- select() 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
- select(long timeout) 最长会阻塞timeout毫秒(参数)
- selectNow() 不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回
访问已选择键集
一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）
- selectedKeys()
1
2
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

NIO结构

graph LR
p[Server]--c---s[Server
Socket
Channel]
s--c---sr[Selector]
sr--c---b01[Buffer]
sr--c---b02[Buffer]
sr--c---b03[Buffer]
b01--c---s01[Selector]
b02--c---s02[Selector]
b03--c---s03[Selector]
s01--c---c1[Client1]
s02--c---c2[Client2]
s03--c---c3[Client3]

//Server
//Selector构建
Selector selector = Selector.open();
//Channel构建
ServerSocketChannel servChannel = ServerSocketChannel.open();
servChannel.configureBlocking(false); //设置非阻塞模式
servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8001), 1024);//设定8001端口
servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //selector绑定

//selector一次遍历所有channel
selector.select(1000); //最多等待堵塞1000ms
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); //获得所有有数据响应的key
Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
    SelectionKey key = it.next();
    it.remove();
    try {
        //Handle
    } catch (Exception e) {
        if (key != null) {
            key.cancel();
            if (key.channel() != null)
                key.channel().close();
        }
    }
}

//Handle
if(key.isValid()) {
    if(key.isAcceptable()) {
        // Accept the new connection
        ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel sc = ssc.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        // Add the new connection to the selector
        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    if(key.isReadable()) {
        //Read the data
    }
}

//Client
//Selector构建
Selector selector = Selector.open();
//Channel构建
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false); //设置非阻塞模式

// 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8001))) {
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    //doWrite
} else {
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}

//Handle
if(key.isValid()) {
    // 判断是否连接成功
    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    if(key.isConnectable()) {
        if (sc.finishConnect()) {
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);                    
                } 
    }
    if(key.isReadable()) {
        //Read the data
    }
}

//doWrite
byte[] str = //TODO
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(str.length); //Buffer分配内存
writeBuffer.put(str); //str写入Buffer
writeBuffer.flip(); //读写模式切换
sc.write(writeBuffer); //Buffer数取数据到Channel

2.AIO编程

Asynchronous I/O, 异步I/O
JDK 1.7引入，主要在java.nio包中
异步I/O，采用回调方法进行处理读写操作

主要类

AsynchronousServerSocketChannel 服务器接受请求通道
- bind 绑定在某一个端口 accept 接受客户端请求
AsynchronousSocketChannel Socket通讯通道
- read 读数据 write 写数据
CompletionHandler 异步处理类
- completed 操作完成后异步调用方法 failed 操作失败后异步调用方法

//服务器通道建立
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8001));

//服务器接受客户端请求，成功接收后自动回调
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
        //TODO
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        //TODO
    }
});

//客户端通道建立
AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();

//连接成功后自动回调
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8001), null, new CompletionHandler<Void, Void>() {
    @Override
    public void completed(Integer result, Object attachment) {
        //TODO
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        //TODO
    }
});

三种I/O的区别

	BIO	NIO	AIO
阻塞方式	阻塞	非阻塞	非阻塞
同步方式	同步	同步	异步
编程难度	简单	较难	困难
客户机/服务器线程对比	1:1	N:1	N:1
性能	低	高	高

3.Netty编程

关键技术

通道 Channel
- ServerSocketChannel/NioServerSocketChannel/…
- SocketChannel/NioSocketChannel
事件 EventLoop
- 为每个通道定义一个EventLoop，处理所有的I/O事件
- EventLoop注册事件
- EventLoop将事件派发给ChannelHandler
- EventLoop安排进一步操作
事件
- 事件按照数据流向进行分类
- 入站事件：连接激活/数据读取/……
- 出站事件：打开到远程连接/写数据/……
事件处理 ChannelHandler
- Channel通道发生数据或状态改变
- EventLoop会将事件分类，并调用ChannelHandler的回调函数
- 程序员需要实现ChannelHandler内的回调函数
- ChannelInboundHandler/ChannelOutboundHandler
ChannelHandler工作模式：责任链
- 责任链模式
  - 将请求的接收者连成一条链
  - 在链上传递请求，直到有一个接收者处理该请求
  - 避免请求者和接收者的耦合
- ChannelHandler可以有多个，依次进行调用
- ChannelPipeline作为容器，承载多个ChannelHandler
ByteBuf
- 强大的字节容器，提供丰富API进行操作

//from BiliBili
//Server
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
//链式编程，设置服务器
bootstrap.group(bossGroup,workGroup) //设置两个线程组
        .channel(NioServerSocketChannel.class) //使用NioServerSocketChannel作为服务器通道的实现
        .option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128) //设置线程队列得到连接个数
        .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true) //设置保持活动连接状态
        .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //给workGroup的EventLoop对应的管道设置处理器
            @Override
            public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new ServerHandler()); //添加处理类
            }
        });

//绑定一个端口并同步，生成了一个ChannelFuture对象
ChannelFuture cf =bootstrap.bind(6668).sync();
//对关闭通道进行监听
cf.channel().closeFuture().sync();
//ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception{
    ByteBuf in = (ByteBuf) msg;
    String content = in.toString(CharsetUtil.UTF_8);
    System.out.println("Server received: " + content);
    System.out.println("Client address: "+ctx.channel().remoteAddress());

    ByteBuf out = ctx.alloc().buffer(1024);
    out.writeBytes((content + " 666").getBytes());
    ctx.write(out);
}

@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    ctx.writeAndFlush(Unpooled.EMPTY_BUFFER)
            .addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}

@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
    cause.printStackTrace();
    ctx.close();
}
//Client
EventLoopGroup eventExecutors = new NioEventLoopGroup();
try {
    Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
    bootstrap.group(eventExecutors) //设置两个线程组
            .channel(NioSocketChannel.class) //使用NioSocketChannel作为服务器通道的实现
            .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //给eventExecutors的EventLoop对应的管道设置处理器
                @Override
                public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new ClientHandler()); //添加处理类
                }
            });
    System.out.println("...客户端 is ready...");

    //启动客户端连接服务端
    ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1",6668).sync();
    //给关闭通道进行监听
    channelFuture.channel().closeFuture().sync();
}finally {
    //优雅关闭
    eventExecutors.shutdownGracefully();
}
//ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Netty rocks!", CharsetUtil.UTF_8));
}

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
    System.out.println("Client received: " + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    System.out.println("Server address: "+ctx.channel().remoteAddress());
}

@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
    cause.printStackTrace();
    ctx.close();
}

4.邮件基础知识

主要协议(发送端口25, 接收端口110)

发送, SMTP, Simple Mail Transfer Protocol
接收, Pop3, Post Office Protocol 3, (POP)
接收, IMAP, Internet Message Access Protocol, IMAP4
摘要浏览
- 选择下载附件
- 多文件夹
- 网络硬盘

5.Mail编程

邮件服务器支持

需要在邮件服务内设置，可以查看相关邮件帮助
需要知道pop服务器和smtp服务器信息

javax.mail 包和javax.mail.internet 包

https://javaee.github.io/javamail

关键类

Session: 邮件会话 和HttpSession不同
Store: 邮件存储空间
Folder: 邮件文件夹
Message: 电子邮件
Address: 邮件地址
Transport: 发送协议类

//Receive
public class MailClientRecv {
  private Session session;
  private Store store;
  private String username = "chenliangyu1980@126.com";
  private String password = "1234567899";
  private String popServer = "pop.126.com";
  
  public void init()throws Exception
  {
    //设置属性
    Properties  props = new Properties();
    props.put("mail.store.protocol", "pop3");
    props.put("mail.imap.class", "com.sun.mail.imap.IMAPStore");
    props.put("mail.pop3.class", "com.sun.mail.pop3.POP3Store");    

    // 创建Session对象
    session = Session.getInstance(props,null);
    session.setDebug(false); //输出跟踪日志

    // 创建Store对象
    store = session.getStore("pop3");
    
    //连接到收邮件服务器
    store.connect(popServer,username,password);
  }  
  
  public void receiveMessage()throws Exception
  {
    String folderName = "inbox";
    Folder folder=store.getFolder(folderName);
    if(folder==null)
    {
        throw new Exception(folderName+"邮件夹不存在");
    }
    //打开信箱
    folder.open(Folder.READ_ONLY);
    System.out.println("您的收件箱有"+folder.getMessageCount()+"封邮件.");
    System.out.println("您的收件箱有"+folder.getUnreadMessageCount()+"封未读的邮件.");

    //读邮件
    Message[] messages=folder.getMessages();
    //for(int i=1;i<=messages.length;i++)
    for(int i=1;i<=3;i++)  
    {
      System.out.println("------第"+i+"封邮件-------");
      //打印邮件信息
      Message message = messages[i];
      //folder.getMessage(i).writeTo(System.out);
      System.out.println((message.getFrom())[0]);
      System.out.println(message.getSubject());
      System.out.println();
    }
    folder.close(false);  //关闭邮件夹
  }
  
  public void close()throws Exception
  {
    store.close();
  }
  
  public static void main(String[] args)throws Exception {
    MailClientRecv client=new MailClientRecv();
    //初始化
    client.init();
    //接收邮件
    client.receiveMessage();
    //关闭连接
    client.close();
  }
}
//Send
public class MailClientSend {
  private Session session;
  private Transport transport;
  private String username = "lychen@sei.ecnu.edu.cn";
  private String password = "1234567899";
  private String smtpServer = "webmail.ecnu.edu.cn";
  
  public void init()throws Exception
  {
    //设置属性
    Properties  props = new Properties();
    props.put("mail.transport.protocol", "smtp");
    props.put("mail.smtp.class", "com.sun.mail.smtp.SMTPTransport");
    props.put("mail.smtp.host", smtpServer); //设置发送邮件服务器
    props.put("mail.smtp.port", "25");
    props.put("mail.smtp.auth", "true"); //SMTP服务器需要身份验证    

    // 创建Session对象
    session = Session.getInstance(props,new Authenticator(){   //验账账户 
        public PasswordAuthentication getPasswordAuthentication() { 
          return new PasswordAuthentication(username, password); 
        }            
 });
    session.setDebug(true); //输出跟踪日志
    
    // 创建Transport对象
    transport = session.getTransport();           
  }
  
  public void sendMessage()throws Exception{
    //创建一个邮件
    //Message msg = TextMessage.generate();
    //Message msg = HtmlMessage.generate();
    Message msg = AttachmentMessage.generate();
    //发送邮件    
    transport.connect();
    transport.sendMessage(msg, msg.getAllRecipients());
    //打印结果
    System.out.println("邮件已经成功发送");
  } 
  
  public void close()throws Exception
  {
    transport.close();
  }
  
  public static void main(String[] args)throws Exception {
      
    MailClientSend client=new MailClientSend();
    //初始化
    client.init();
    //发送邮件
    client.sendMessage();
    //关闭连接
    client.close();
  }
}

//Text
String from = "lychen@sei.ecnu.edu.cn "; // 发件人地址
String to = "chenliangyu1980@126.com"; // 收件人地址
String subject = "test";
String body = "您好,这是来自一封chenliangyu的测试邮件";

// 创建Session实例对象
Session session = Session.getDefaultInstance(new Properties());
// 创建MimeMessage实例对象
MimeMessage message = new MimeMessage(session);
// 设置发件人
message.setFrom(new InternetAddress(from));
// 设置收件人
message.setRecipients(Message.RecipientType.TO, InternetAddress.parse(to));
// 设置发送日期
message.setSentDate(new Date());
// 设置邮件主题
message.setSubject(subject);
// 设置纯文本内容的邮件正文
message.setText(body);
// 保存并生成最终的邮件内容
message.saveChanges();
return message;

//Html
String from = "lychen@sei.ecnu.edu.cn "; // 发件人地址
String to = "chenliangyu1980@126.com"; // 收件人地址
String subject = "HTML邮件";
String body = "<a href=http://www.ecnu.edu.cn>" 
  + "<h4>欢迎大家访问我们的网站</h4></a></br>" 
  + "<img src=\"https://news.ecnu.edu.cn/_upload/article/images/2e/e2/6b554d034c9192101208c732195e/16a6ec66-6729-4469-a5f4-0435e0f2e66a.jpg\">";

// 创建Session实例对象
Session session = Session.getDefaultInstance(new Properties());
// 创建MimeMessage实例对象
MimeMessage message = new MimeMessage(session);
// 设置发件人
message.setFrom(new InternetAddress(from));
// 设置收件人
message.setRecipients(Message.RecipientType.TO, InternetAddress.parse(to));
// 设置发送日期
message.setSentDate(new Date());
// 设置邮件主题
message.setSubject(subject);
// 设置HTML格式的邮件正文
message.setContent(body, "text/html;charset=gb2312");
// 保存并生成最终的邮件内容
message.saveChanges();
return message;

//Attachment
String from = "lychen@sei.ecnu.edu.cn "; // 发件人地址
String to = "chenliangyu1980@126.com"; // 收件人地址
String subject = "多附件邮件";        //邮件主题
String body = "<a href=http://www.ecnu.edu.cn>" +
              "欢迎大家访问我们的网站</a></br>"; 

// 创建Session实例对象
Session session = Session.getDefaultInstance(new Properties());
// 创建MimeMessage实例对象
MimeMessage message = new MimeMessage(session);            
message.setFrom(new InternetAddress(from));
message.setRecipients(Message.RecipientType.TO,
        InternetAddress.parse(to));
message.setSubject(subject);

//创建代表邮件正文和附件的各个MimeBodyPart对象
MimeBodyPart contentPart = createContent(body);
MimeBodyPart attachPart1 = createAttachment("c:/temp/ecnu4.jpg");
MimeBodyPart attachPart2 = createAttachment("c:/temp/ecnu5.jpg");

//创建用于组合邮件正文和附件的MimeMultipart对象
MimeMultipart allMultipart = new MimeMultipart("mixed");
allMultipart.addBodyPart(contentPart);
allMultipart.addBodyPart(attachPart1);
allMultipart.addBodyPart(attachPart2);

//设置整个邮件内容为最终组合出的MimeMultipart对象
message.setContent(allMultipart);
message.saveChanges();
return message;

public static MimeBodyPart createContent(String body) throws Exception {
    MimeBodyPart htmlBodyPart = new MimeBodyPart();          
    htmlBodyPart.setContent(body,"text/html;charset=gb2312");
    return htmlBodyPart;
}

public static MimeBodyPart createAttachment(String filename) throws Exception {
    //创建保存附件的MimeBodyPart对象，并加入附件内容和相应信息
    MimeBodyPart attachPart = new MimeBodyPart();
    FileDataSource fds = new FileDataSource(filename);
    attachPart.setDataHandler(new DataHandler(fds));
    attachPart.setFileName(fds.getName());
    return attachPart;
}

1.NIO编程

主要类

Buffer

Channel

SocketChannel

Selector

NIO结构

2.AIO编程

主要类

三种I/O的区别

3.Netty编程

关键技术

4.邮件基础知识

主要协议(发送端口25, 接收端口110)

5.Mail编程

邮件服务器支持

javax.mail 包和javax.mail.internet 包

关键类

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