Jan Kończak

Ta strona jest tylko do odczytu. Możesz wyświetlić źródła tej strony ale nie możesz ich zmienić.
======= Obsługa sieci w Javie =======

Java posiada dwa API do obsługi sieci: ''java.io'' oraz ''java.nio''.

Obsługa wielu gniazd, operacje blokujące / nieblokujące:
  * ''java.io'' pozwala tylko na blokującą obsługę gniazd i nie ma możliwości sprawdzenia czy możliwe jest wykonanie żądanej operacji bez blokowania (tzn. nie ma możliwości skorzystania z funkcji typu ''select''/''poll''). \\ W praktyce oznacza to, że dla każdego gniazda potrzebny jest osobny wątek.
  * ''java.nio'' oferuje mechanizm analogiczny w działaniu do funkcji ''poll''. Przy jego wykorzystaniu narzucana jest nieblokująca obsługa gniazd.

Odczyt / zapis danych:
  * ''java.io'' używa strumieni - wysyłanie i odbieranie realizuje się przez obiekty z klas ''InputStream'' i ''OutputStream''
  * ''java.nio'' udostępnia metody wysyłające dane z i odbierające dane do buforów – obiektowo opakowanych tablic bajtów.

''java.io'' jest prostszym API, które często utrudnia bądź nawet uniemożliwia napisanie wydajnego kodu.

Dłuższe porównanie IO/NIO: http://tutorials.jenkov.com/java-nio/nio-vs-io.html
====== java.io ======
Java I/O – proste i ładne blokujące opakowanie obiektowe gniazd.

==== Klient TCP ====
<code java>
//Socket sock = new Socket();
//sock.connect(new InetSocketAddress("example.com", 13));
Socket sock = new Socket("example.com", 13);

InputStream is = sock.getInputStream();

byte[] bytearr = new byte[16]; 
while(true){
	int len = is.read(bytearr);
	if(len == -1) break;
	System.out.write(bytearr, 0, len);
}

sock.close();
</code>

==== Serwer TCP ====
<code java>
ServerSocket ssock = new ServerSocket(1313);

Socket sock = ssock.accept();
ssock.close();

String s = new Date().toLocaleString() + '\n';

sock.getOutputStream().write(s.getBytes());
sock.close();
</code>

==== Klient UDP ====
<code java>
DatagramSocket sock = new DatagramSocket();

InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress("example.com", 13);

DatagramPacket outpacket = new DatagramPacket(new byte [0], 0, addr);
sock.send(outpacket);

DatagramPacket inpacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
sock.receive(inpacket);

System.out.write(inpacket.getData(), 0, inpacket.getLength());
sock.close();
</code>

==== Zadanie 1. ====

Napisz serwer czatu z użyciem ''java.io''. (Jako klienta użyj programu ''netcat'' lub ''socat''.)

<html><small></html>
[[https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/locksync.html|synchronized (czyli zamki)]] \\
[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/util/concurrent/package-summary.html|java.util.concurrent]] \\
nowy wątek, używając lambdy:
<code java>
new Thread(() -> {
	// Kod uruchamiany wewnątrz wątku
}).start();
</code>
<html></small></html>


====== java.nio ======
Java New I/O – wydajne opakowanie obiektowe gniazd.\\
http://tutorials.jenkov.com/java-nio/index.html

==== Klasy obsługujące gniazda (kanały) ====
Ważne klasy (sieciowe):
  * ''[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/nio/channels/SocketChannel.html|SocketChannel]]'' – gniazdo TCP (//connect//, klient)
  * ''[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/nio/channels/ServerSocketChannel.html|ServerSocketChannel]]'' – gniazdo TCP (//listen//, serwer)
  * ''[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/nio/channels/DatagramChannel.html|DatagramChannel]]'' – gniazdo UDP
  * ''[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/nio/channels/Selector.html|Selector]]'' – multiplekser
Obiekty z tych klas są tworzone metodą statyczną ''open()'', np:
<code java>
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open()
</code>

Kanały wprawdzie pozwalają na pracę w trybie blokującym i nieblokującym, ale przy użycie selektora wymusza pracę w trybie nieblokującym.

==== Praca z selektorem ====

Aby używać kanału NIO z selektorem, należy:
  - stworzyć selektor i kanały gniazd
  - przestawić kanały w tryb nieblokujący: ''configureBlocking(false)''
  - dodać kanały gniazd do selektora – metoda ''register()'' na kanale
  - w pętli
    - wykonywać metodę ''select()'' selektora
    - metodą ''selectedKeys()'' pobierać kolekcję ''SelectionKey'' opisujących zdarzenia
    - obsłużyć zdarzenia
    - wyczyścić kolekcję kluczy
<code java>
/*  1.  */ Selector selector = Selector.open();
/*  1.  */ DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
/*  1.  */ channel.bind(new InetSocketAddress(12345));
/*  2.  */ channel.configureBlocking(false);
/*  3.  */ selector.register(channel, SelectionKey.OP_READ);
/*  4.  */ …
/* 4.a. */    selector.select();
/* 4.b. */    for(SelectionKey key : selector.selectedKeys())
/* 4.c. */       …
/* 4.d. */    selector.selectedKeys().clear();
</code>

==== Bufory ====

NIO używa dedykowanych klas buforów – np. ''[[https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/api/java.base/java/nio/ByteBuffer.html|ByteBuffer]]''. Klasy te służą opakowaniu tablic (np. tablicy bajtów) w sposób nie ograniczający wydajności.

Bufor można tworzyć metodami statycznymi, np. ''ByteBuffer.allocate()'' i ''ByteBuffer.wrap()''.

Każdy bufor ma stałą pojemność. Poza pojemnością każdy bufor ma kursor (''position'') i limit (''limit'')((oraz znacznik, ''mark'')). Pisanie i czytanie odbywa się zawsze od kursora i przesuwa kursor o ilość przeczytanych/zapisanych bajtów.\\
Do zmiany pozycji i limitu służą np. ''flip'', ''clear''.
<code java>
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); //  |................|
                                             //   ^pos(ition)     ^limit
                                             
int bytesRead = channel.read(buffer);        //  |alamakota.......|
assert bytesRead == 9;                       //            ^pos   ^limit

buffer.flip();                               //  |alamakota.......|
                                             //   ^pos     ^limit

short useless = buffer.getShort();           //  |alamakota.......|
assert useless == 0x616c;                    //     ^pos   ^limit

Charset utf8 = Charset.forName("UTF-8");     //            vlimit 
String str = utf8.decode(buffer).toString(); //  |alamakota.......|
assert str.equals(new String("amakota"));    //            ^pos
                                             
buffer.clear();                              //  |alamakota.......|
                                             //   ^pos            ^limit
</code>

==== SelectionKey ====

W selektorze jeden kanał gniazdo może być zarejestrowane co najwyżej raz do oczekiwania na podane zdarzenia przy pomocy metody ''register()''. Metoda ta zwraca //klucz// – obiekt z klasy ''SelectionKey''. Ten sam obiekt po wywołaniu na selektorze metody ''select()'' jest kopiowany do ''selectedKeys()'' selektora. Klucz można też wydobyć wywołując na kanale metodę ''keyFor(selector)''. Kanał można wyciągnąć z klucza metodą ''channel()''.\\
Aby zmienić listę oczekiwanych zdarzeń, należy wykonać na kluczu metodę ''interestOps()'' z nową listą zdarzeń.

Po wywołaniu metody ''select()'' selektora każdy klucz ma ustawiane ''readyOps()'' - listę gotowych operacji. Dla ułatwienia klasa ''SelectionKey'' ma też metody ''isReadable()'', ''isWriteable()'', ''isAcceptable()'', …


Do usunięcia klucza z selektora należy użyć metody ''cancel()'' na kluczu (lub zamknąć kanał metodą ''close()'').

<code java>
SelectionKey key = selector.register(channel, SelectionKey.OP_READ);

selector.select();
assert key == selector.selectedKeys().iterator().next();

if(key.isValid() && key.isReadable())
  …

key.interestOps(SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);
</code>
Każdy klucz może mieć dołączony jeden załącznik, albo podany przy rejestracji kanału w selektorze, albo dołączony metodą ''attach(object)''. Można go później pobrać metodą ''attachment()''.
<code java>
MyClass myObj = …
selector.register(myObj.myChannel(), SelectionKey.OP_READ, myObj);

selector.select();
SelectionKey key = selector.selectedKeys().iterator().next();

assert key.attachment() instanceof MyClass;
((MyClass)key.attachment()).myFunction(key);
</code>
==== "klient tcp" ====
java.nio nie pozwala na współpracę ze standardowym wejściem.
++++Przykład  obsługujący jedno gniazdo |
<code java NioCli.java>
package sk2;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NioCli {
    private SocketChannel sock;                     // gniazdo w NIO
    private Selector sel;                           // selektor – opakowuje mechanizm typu 'select'
    private SelectionKey sockKey;                   
    private ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(8); // bufor – odpowiednio opakowana tablica bajtów
    
    public NioCli(String[] args) throws Throwable{
        // Selektory, gniazda, etc. są tworzone przez metody statyczne, używające dostarczanej
        // przez VM implementacji klasy SelectorProvider
        sel = Selector.open();
        sock = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(args[0], Integer.parseInt(args[1])));
        
        sock.configureBlocking(false);              // Używanie Selectora wymaga nieblokującego I/O
        sockKey = sock.register(sel, SelectionKey.OP_READ); // Tak każe się czekać na zdarzenie
    }
        
    private void select() throws Throwable{
        sel.select();                               // oczekiwanie na zdarzenie
        
        // selectedKeys() zawiera listę kluczy dla których można wykonać żądaną operację
        // i ustawia im dostępne zdarzenia (readyOps, isReadable, is…)
        assert sel.selectedKeys().size() == 1;      
        assert sel.selectedKeys().iterator().next() == sockKey;
        
        bb.clear();                                 // przygotowanie bufora do pracy
        int count = sock.read(bb);
             
        if(count == -1) {                           // -1 oznacza EOF
            sockKey.cancel();                       // cancel usuwa klucz z selektora
            return;
        }
        
        System.out.write(bb.array(), 0, bb.position());

        sel.selectedKeys().clear();                 // klucze są w zbiorze do momentu usunięcia
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Throwable{
        NioCli cli = new NioCli(args);
        while(cli.sockKey.isValid())
            cli.select();
    }
}
</code>
++++
==== Serwer czatu ====

++++ Przykład serwera czatu |
<code java NioServ.java>
package sk2;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.HashSet;

public class NioServ {
    
    ServerSocketChannel ssc;
    Selector sel;
    HashSet<SocketChannel> clients = new HashSet<SocketChannel>();
    ByteBuffer commonReadBuffer = ByteBuffer.allocate(256);
    
    public NioServ(int port) throws Throwable {
        sel = Selector.open();
        ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(port));
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
    
    private void loop() throws Throwable {
        while(true){
            select();
        }
    }

    private void select() throws Throwable {
        sel.select();
        for(SelectionKey key : sel.selectedKeys()){
            if(key.isAcceptable()){
                accept();
            }
            if(key.isReadable()){
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                read(key, sc);
            }
        }
        sel.selectedKeys().clear();
    }

    private void accept() throws Throwable {
        SocketChannel sc = ssc.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(sel, SelectionKey.OP_READ);
        sendAll("Connected:" + sc.getRemoteAddress().toString() + "\n");
        clients.add(sc);
    }
    
    private void read(SelectionKey key, SocketChannel sc) throws Throwable {
        commonReadBuffer.clear();
        commonReadBuffer.put(sc.getRemoteAddress().toString().getBytes());
        commonReadBuffer.putChar(':');
        commonReadBuffer.putChar(' ');
        
        int count = sc.read(commonReadBuffer);
        
        if(count == 0) return;
        if(count == -1){
            clients.remove(sc);
            sendAll("Disconnected:" + sc.getRemoteAddress().toString() + "\n");
            key.cancel();
            sc.close();
            return;
        }
        
        sendAll(commonReadBuffer);
    }

    private void sendAll(String msg) throws Throwable {
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        bb.position(bb.limit());
        sendAll(bb);
    }
        
    private void sendAll(ByteBuffer bb) throws Throwable {
        bb.flip();
        for(SocketChannel sc : clients){
            sc.write(bb);
            bb.rewind();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable{
        NioServ s = new NioServ(Integer.parseInt(args[0]));
        s.loop();
    }

}
</code>
++++
==== Zadanie 2. ====

Pobierz kod prostego serwera key-value store: {{:sk2:simplekv.java|SimpleKV.java}}.
<html><small>      </html>
([[https://en.wikipedia.org/wiki/Key-value_database]])
<html></small></html>
\\
Przeczytaj kod, połącz się programem ''netcat'' / ''socat'' i przetestuj działanie. \\
Następnie dodaj do programu brakujące:
  * komunikaty diagnostyczne – pojawił się nowy klient, klient się rozłączył, zmieniono wartość
  * obsługę błędów – tzn. usuń ''throws Throwable'' i dodaj kod łapiący i obsługujący wyjątki
  * buforowanie wejścia – obsłuż sytuację, w której read zwróci tylko część linii \\ <html><small>
    </html>Testuj używając jako klienta: \\ ''socat tcp://host//://port//,ignoreeof **-** '' \\ Wpisanie EOF (ctrl+d) spowoduje wysłanie dotychczas wpisanych danych<html></small></html>
  * buforowanie wyjścia – obsłuż sytuację, w której write zapisze tylko część żądanych danych
Jan Kończak

Narzędzia użytkownika

Narzędzia witryny

Narzędzia strony
