Java NIO 實戰：單線程高性能 TCP Echo Server 完整實現

架構概覽

使用 Selector 多路複用，單線程處理海量連接。核心組件：

• NioWorker：封裝 Selector 與 select() 循環，管理 NioSession 註冊/處理。
• NioSession：統一介面，封裝 SelectableChannel、interestOps、process() 邏輯。
• NioServerSession：封裝 ServerSocketChannel，OP_ACCEPT，接受連接並創建 NioEchoSession。
• NioEchoSession：封裝 SocketChannel，狀態機處理讀/寫循環。

關鍵代碼片段

NioWorker.run() 事件循環

while (_run) {
    _sel.select();
    for (SelectionKey key : _sel.selectedKeys()) {
        ((NioSession) key.attachment()).process();
        key.cancel(); // 或 itr.remove()
    }
    // 註冊新增 Session
    synchronized (_added) {
        for (NioSession s : _added) {
            SelectionKey key = s.channel().register(_sel, s.interestOps(), s);
            s.registered(key);
        }
        _added.clear();
    }
}

NioEchoSession 狀態模式

public abstract class EchoState {
    abstract void process(NioEchoSession s) throws IOException;
    abstract int interestOps();
    static EchoState readState()  { return _read; }
    static EchoState writeState() { return _write; }
}
class ReadState extends EchoState {
    void process(NioEchoSession s) {
        int n = s._channel.read(s._buf);
        if (n == -1) { s.close(); return; }
        if (n > 0) { s._buf.flip(); s.setState(writeState()); }
    }
    int interestOps() { return SelectionKey.OP_READ; }
}
class WriteState extends EchoState {
    void process(NioEchoSession s) {
        s._channel.write(s._buf);
        if (!s._buf.hasRemaining()) { s._buf.clear(); s.setState(readState()); }
    }
    int interestOps() { return SelectionKey.OP_WRITE; }
}

NioEchoSession 委派 process() 給當前 EchoState，setState() 切換狀態並更新 interestOps。

啟動入口 NioEchoServer

public class NioEchoServer implements Runnable {
    public void run() {
        ServerSocketChannel serv = ServerSocketChannel.open();
        serv.socket().bind(new InetSocketAddress(7));
        serv.configureBlocking(false);
        NioWorker worker = new NioWorker(Selector.open());
        worker.add(new NioServerSession(serv, worker));
        worker.run(); // 阻塞循環
    }
    public synchronized void shutdown() { worker.stop(); wait(); }
    public static void main(String[] args) { new NioEchoServer().run(); }
}

測試驗證

1. 啟動程式。
2. 多開終端：telnet localhost 7。
3. 輸入字符，即時回顯；多客戶端並發無阻塞。

設計亮點

• 開閉原則：新增協議只需實作 NioSession，無需修改 NioWorker。
• 狀態模式：清晰分離讀/寫邏輯，避免巨大 if-else。
• 無鎖設計：單線程串行處理，簡化併發控制。