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阻塞，還是非阻塞？這就是問(wèn)題所在。無(wú)論在程序員的頭腦中多么高貴……當然這不是莎士比亞，本文提出了任何程序員在編寫(xiě) Internet 客戶(hù)程序時(shí)都應該考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。通信操作應該是阻塞的還是非阻塞的？

許多程序員在使用 Java 語(yǔ)言編寫(xiě) Internet 客戶(hù)程序時(shí)并沒(méi)有考慮這個(gè)問(wèn)題，主要是因為在以前只有一種選擇――阻塞通信。但是現在Java 程序員有了新的選擇，因此我們編寫(xiě)的每個(gè)客戶(hù)程序也許都應該考慮一下。

非阻塞通信在 Java 2 SDK 的 1.4 版被引入 Java 語(yǔ)言。如果您曾經(jīng)使用該版本編過(guò)程序，可能會(huì )對新的 I/O 庫（NIO）留下了印象。在引入它之前，非阻塞通信只有在實(shí)現第三方庫的時(shí)候才能使用，而第三方庫常常會(huì )給應用程序引入缺陷。

NIO 庫包含了文件、管道以及客戶(hù)機和服務(wù)器套接字的非阻塞功能。庫中缺少的一個(gè)特性是安全的非阻塞套接字連接。在 NIO 或者 JSSE 庫中沒(méi)有建立安全的非阻塞通道類(lèi)，但這并不意味著(zhù)不能使用安全的非阻塞通信。只不過(guò)稍微麻煩一點(diǎn)。

要完全領(lǐng)會(huì )本文，您需要熟悉：

• Java 套接字通信的概念。您也應該實(shí)際編寫(xiě)過(guò)應用程序。而且不只是打開(kāi)連接、讀取一行然后退出的簡(jiǎn)單應用程序，應該是實(shí)現 POP3 或 HTTP 之類(lèi)協(xié)議的客戶(hù)機或通信庫這樣的程序。
• SSL 基本概念和加密之類(lèi)的概念?；旧暇褪侵廊绾卧O置一個(gè)安全連接（但不必擔心 JSSE ――這就是關(guān)于它的一個(gè)“緊急教程”）。
• NIO 庫。
• 在您選擇的平臺上安裝 Java 2 SDK 1.4 或以后的版本。（我是在 Windows 98 上使用 1.4.1_01 版。）

如果需要關(guān)于這些技術(shù)的介紹，請參閱參考資料部分。

那么到底什么是阻塞和非阻塞通信呢？

阻塞和非阻塞通信

阻塞通信意味著(zhù)通信方法在嘗試訪(fǎng)問(wèn)套接字或者讀寫(xiě)數據時(shí)阻塞了對套接字的訪(fǎng)問(wèn)。在 JDK 1.4 之前，繞過(guò)阻塞限制的方法是無(wú)限制地使用線(xiàn)程，但這樣常常會(huì )造成大量的線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)，對系統的性能和可伸縮性產(chǎn)生影響。java.nio包改變了這種狀況，允許服務(wù)器有效地使用 I/O 流，在合理的時(shí)間內處理所服務(wù)的客戶(hù)請求。

沒(méi)有非阻塞通信，這個(gè)過(guò)程就像我所喜歡說(shuō)的“為所欲為”那樣?；旧?，這個(gè)過(guò)程就是發(fā)送和讀取任何能夠發(fā)送/讀取的東西。如果沒(méi)有可以讀取的東西，它就中止讀操作，做其他的事情直到能夠讀取為止。當發(fā)送數據時(shí)，該過(guò)程將試圖發(fā)送所有的數據，但返回實(shí)際發(fā)送出的內容?？赡苁侨繑祿?、部分數據或者根本沒(méi)有發(fā)送數據。

阻塞與非阻塞相比確實(shí)有一些優(yōu)點(diǎn)，特別是遇到錯誤控制問(wèn)題的時(shí)候。在阻塞套接字通信中，如果出現錯誤，該訪(fǎng)問(wèn)會(huì )自動(dòng)返回標志錯誤的代碼。錯誤可能是由于網(wǎng)絡(luò )超時(shí)、套接字關(guān)閉或者任何類(lèi)型的I/O 錯誤造成的。在非阻塞套接字通信中，該方法能夠處理的唯一錯誤是網(wǎng)絡(luò )超時(shí)。為了檢測使用非阻塞通信的網(wǎng)絡(luò )超時(shí)，需要編寫(xiě)稍微多一點(diǎn)的代碼，以確定自從上一次收到數據以來(lái)已經(jīng)多長(cháng)時(shí)間了。

哪種方式更好取決于應用程序。如果使用的是同步通信，如果數據不必在讀取任何數據之前處理的話(huà)，阻塞通信更好一些，而非阻塞通信則提供了處理任何已經(jīng)讀取的數據的機會(huì )。而異步通信，如IRC 和聊天客戶(hù)機則要求非阻塞通信以避免凍結套接字。

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創(chuàng )建傳統的非阻塞客戶(hù)機套接字

Java NIO 庫使用通道而非流。通道可同時(shí)用于阻塞和非阻塞通信，但創(chuàng )建時(shí)默認為非阻塞版本。但是所有的非阻塞通信都要通過(guò)一個(gè)名字中包含Channel的類(lèi)完成。在套接字通信中使用的類(lèi)是SocketChannel， 而創(chuàng )建該類(lèi)的對象的過(guò)程不同于典型的套接字所用的過(guò)程，如清單1 所示。

SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect("www.ibm.com",80);
sc.finishConnect();

必須聲明一個(gè)SocketChannel類(lèi)型的指針，但是不能使用new操作符創(chuàng )建對象。相反，必須調用SocketChannel類(lèi)的一個(gè)靜態(tài)方法打開(kāi)通道。打開(kāi)通道后，可以通過(guò)調用connect()方法與它連接。但是當該方法返回時(shí)，套接字不一定是連接的。為了確保套接字已經(jīng)連接，必須接著(zhù)調用finishConnect() 。

當套接字連接之后，非阻塞通信就可以開(kāi)始使用SocketChannel類(lèi)的read() 和write()方法了。也可以把該對象強制轉換成單獨的ReadableByteChannel和WritableByteChannel對象。無(wú)論哪種方式，都要對數據使用Buffer對象。因為 NIO庫的使用超出了本文的范圍，我們不再對此進(jìn)一步討論。

當不再需要套接字時(shí)，可以使用close() 方法將其關(guān)閉：

sc.close();

這樣就會(huì )同時(shí)關(guān)閉套接字連接和底層的通信通道。

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創(chuàng )建替代的非阻塞的客戶(hù)機套接字

上述方法比傳統的創(chuàng )建套接字連接的例程稍微麻煩一點(diǎn)。不過(guò)，傳統的例程也能用于創(chuàng )建非阻塞套接字，不過(guò)需要增加幾個(gè)步驟以支持非阻塞通信。

SocketChannel 對象中的底層通信包括兩個(gè)Channel 類(lèi)：ReadableByteChannel和WritableByteChannel。 這兩個(gè)類(lèi)可以分別從現有的InputStream和OutputStream 阻塞流中使用Channels類(lèi)的newChannel() 方法創(chuàng )建，如清單 2 所示：

ReadableByteChannel rbc = Channels.newChannel(s.getInputStream());
WriteableByteChannel wbc = Channels.newChannel(s.getOutputStream());

Channels 類(lèi)也用于把通道轉換成流或者 reader 和 writer。這似乎是把通信切換到阻塞模式，但并非如此。如果試圖讀取從通道派生的流，讀方法將拋出IllegalBlockingModeException 異常。

相反方向的轉換也是如此。不能使用Channels 類(lèi)把流轉換成通道而指望進(jìn)行非阻塞通信。如果試圖讀從流派生的通道，讀仍然是阻塞的。但是像編程中的許多事情一樣，這一規則也有例外。

這種例外適合于實(shí)現SelectableChannel抽象類(lèi)的類(lèi)。SelectableChannel和它的派生類(lèi)能夠選擇使用阻塞或者非阻塞模式。SocketChannel就是這樣的一個(gè)派生類(lèi)。

但是，為了能夠在兩者之間來(lái)回切換，接口必須作為SelectableChannel 實(shí)現。對于套接字而言，為了實(shí)現這種能力必須使用SocketChannel而不是Socket 。

回顧一下，要創(chuàng )建套接字，首先必須像通常使用Socket 類(lèi)那樣創(chuàng )建一個(gè)套接字。套接字連接之后，使用清單2中的兩行代碼把流轉換成通道。

Socket s = new Socket("www.ibm.com", 80);
ReadableByteChannel rbc = Channels.newChannel(s.getInputStream());
WriteableByteChannel wbc = Channels.newChannel(s.getOutputStream());

如前所述，這樣并不能實(shí)現非阻塞套接字通信――所有的通信仍然在阻塞模式下。在這種情況下，非阻塞通信必須模擬實(shí)現。模擬層不需要多少代碼。讓我們來(lái)看一看。

從模擬層讀數據

模擬層在嘗試讀操作之前首先檢查數據的可用性。如果數據可讀則開(kāi)始讀。如果沒(méi)有數據可用，可能是因為套接字被關(guān)閉，則返回表示這種情況的代碼。在清單4 中要注意仍然使用了ReadableByteChannel 讀，盡管InputStream完全可以執行這個(gè)動(dòng)作。為什么這樣做呢？為了造成是 NIO 而不是模擬層執行通信的假象。此外，還可以使模擬層與其他通道更容易結合，比如向文件通道內寫(xiě)入數據。

/* The checkConnection method returns the character read when 
   determining if a connection is open.
 */
y = checkConnection();
if(y <= 0) return y;
buffer.putChar((char ) y);
return rbc.read(buffer); 

向模擬層寫(xiě)入數據

對于非阻塞通信，寫(xiě)操作只寫(xiě)入能夠寫(xiě)的數據。發(fā)送緩沖區的大小和一次可以寫(xiě)入的數據多少有很大關(guān)系。緩沖區的大小可以通過(guò)調用Socket對象的getSendBufferSize()方法確定。在嘗試非阻塞寫(xiě)操作時(shí)必須考慮到這個(gè)大小。如果嘗試寫(xiě)入比緩沖塊更大的數據，必須拆開(kāi)放到多個(gè)非阻塞寫(xiě)操作中。太大的單個(gè)寫(xiě)操作可能被阻塞。

int x, y = s.getSendBufferSize(), z = 0;
int expectedWrite;
byte [] p = buffer.array();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(y);
/* If there isn't any data to write, return, otherwise flush the stream */
if(buffer.remaining() == 0) return 0;
os.flush()
for(x = 0; x < p.length; x += y)
{
    if(p.length - x < y)
    {
        buf.put(p, x, p.length - x);
        expectedWrite = p.length - x;
    }
    else
    {
        buf.put(p, x, y);
        expectedWrite = y;
    }
    
    /* Check the status of the socket to make sure it's still open */
    
    if(!s.isConnected()) break;
    /* Write the data to the stream, flushing immediately afterward */
    buf.flip(); 
    z = wbc.write(buf); os.flush();
    if(z < expectedWrite) break;
    buf.clear();
    
}
if(x > p.length) return p.length;
else if(x == 0) return -1;
else return x + z;

與讀操作類(lèi)似，首先要檢查套接字是否仍然連接。但是如果把數據寫(xiě)入WritableByteBuffer 對象，就像清單 5那樣，該對象將自動(dòng)進(jìn)行檢查并在沒(méi)有連接時(shí)拋出必要的異常。在這個(gè)動(dòng)作之后開(kāi)始寫(xiě)數據之前，流必須立即被清空，以保證發(fā)送緩沖區中有發(fā)送數據的空間。任何寫(xiě)操作都要這樣做。發(fā)送到塊中的數據與發(fā)送緩沖區的大小相同。執行清除操作可以保證發(fā)送緩沖不會(huì )溢出而導致寫(xiě)操作被阻塞。

因為假定寫(xiě)操作只能寫(xiě)入能夠寫(xiě)的內容，這個(gè)過(guò)程還必須檢查套接字保證它在每個(gè)數據塊寫(xiě)入后仍然是打開(kāi)的。如果在寫(xiě)入數據時(shí)套接字被關(guān)閉，則必須中止寫(xiě)操作并返回套接字關(guān)閉之前能夠發(fā)送的數據量。

BufferedOutputReader可用于模擬非阻塞寫(xiě)操作。如果試圖寫(xiě)入超過(guò)緩沖區兩倍長(cháng)度的數據，則直接寫(xiě)入緩沖區整倍數長(cháng)度的數據（緩沖余下的數據）。比如說(shuō)，如果緩沖區的長(cháng)度是256 字節而需要寫(xiě)入 529 字節的數據，則該對象將清除當前緩沖區、發(fā)送 512 字節然后保存剩下的 17 字節。

對于非阻塞寫(xiě)而言，這并非我們所期望的。我們希望分次把數據寫(xiě)入同樣大小的緩沖區中，并最終把全部數據都寫(xiě)完。如果發(fā)送的大塊數據留下一些數據被緩沖，那么在所有數據被發(fā)送的時(shí)候，寫(xiě)操作就會(huì )被阻塞。

模擬層類(lèi)模板

整個(gè)模擬層可以放到一個(gè)類(lèi)中，以便更容易和應用程序集成。如果要這樣做，我建議從ByteChannel 派生這個(gè)類(lèi)。這個(gè)類(lèi)可以強制轉換成單獨的ReadableByteChannel和WritableByteChannel 類(lèi)。

清單 6 給出了從ByteChannel 派生的模擬層類(lèi)模板的一個(gè)例子。本文后面將一直使用這個(gè)類(lèi)表示通過(guò)阻塞連接執行的非阻塞操作。

public class nbChannel implements ByteChannel
{
    Socket s;
    InputStream is; OutputStream os;
    ReadableByteChannel rbc;
    WritableByteChannel wbc;
    
    public nbChannel(Socket socket);
    public int read(ByteBuffer dest);
    public int write(ByteBuffer src);
    public void close();
		
    protected int checkConnection();
}

使用模擬層創(chuàng )建套接字

使用新建的模擬層創(chuàng )建套接字非常簡(jiǎn)單。只要像通常那樣創(chuàng )建Socket 對象，然后創(chuàng )建nbChannel對象就可以了，如清單 7 所示：

Socket s = new Socket("www.ibm.com", 80);
nbChannel socketChannel = new nbChannel(s);
ReadableByteChannel rbc = (ReadableByteChannel)socketChannel;
WritableByteChannel wbc = (WritableByteChannel)socketChannel;

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創(chuàng )建傳統的非阻塞服務(wù)器套接字

服務(wù)器端的非阻塞套接字和客戶(hù)端上的沒(méi)有很大差別。稍微麻煩一點(diǎn)的只是建立接受輸入連接的套接字。套接字必須通過(guò)從服務(wù)器套接字通道派生一個(gè)阻塞的服務(wù)器套接字綁定到阻塞模式。清單8 列出了需要做的步驟。

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket ss = ssc.socket();
ss.bind(new InetSocketAddress(port));
SocketChannel sc = ssc.accept();

與客戶(hù)機套接字通道相似，服務(wù)器套接字通道也必須打開(kāi)而不是使用new 操作符或者構造函數。在打開(kāi)之后，必須派生服務(wù)器套接字對象以便把套接字通道綁定到一個(gè)端口。一旦套接字被綁定，服務(wù)器套接字對象就可以丟棄了。

通道使用accept()方法接收到來(lái)的連接并把它們轉給套接字通道。一旦接收了到來(lái)的連接并轉給套接字通道對象，通信就可以通過(guò)read()和write() 方法開(kāi)始進(jìn)行了。

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創(chuàng )建替代的非阻塞服務(wù)器套接字

實(shí)際上，并非真正的替代。因為服務(wù)器套接字通道必須使用服務(wù)器套接字對象綁定，為何不完全繞開(kāi)服務(wù)器套接字通道而僅使用服務(wù)器套接字對象呢？不過(guò)這里的通信不使用SocketChannel ，而要使用模擬層nbChannel。

ServerSocket ss = new ServerSocket(port);
Socket s = ss.accept();
nbChannel socketChannel = new nbChannel(s);
ReadableByteChannel rbc = (ReadableByteChannel)socketChannel;
WritableByteChannel wbc = (WritableByteChannel)socketChannel;

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創(chuàng )建 SSL 連接

創(chuàng )建SSL連接，我們要分別從客戶(hù)端和服務(wù)器端考察。

從客戶(hù)端

創(chuàng )建 SS L連接的傳統方法涉及到使用套接字工廠(chǎng)和其他一些東西。我將不會(huì )詳細討論如何創(chuàng )建SSL連接，不過(guò)有一本很好的教程，“Secure yoursockets with JSSE”（請參閱參考資料），從中您可以了解到更多的信息。

創(chuàng )建 SSL 套接字的默認方法非常簡(jiǎn)單，只包括幾個(gè)很短的步驟：

1. 創(chuàng )建套接字工廠(chǎng)。
2. 創(chuàng )建連接的套接字。
3. 開(kāi)始握手。
4. 派生流。
5. 通信。

清單 10 說(shuō)明了這些步驟：

SSLSocketFactory sslFactory = 
  (SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();
SSLSocket ssl = (SSLSocket)sslFactory.createSocket(host, port);
ssl.startHandshake();
InputStream is = ssl.getInputStream();
OutputStream os = ssl.getOutputStream();

默認方法不包括客戶(hù)驗證、用戶(hù)證書(shū)和其他特定連接可能需要的東西。

從服務(wù)器端

建立SSL服務(wù)器連接的傳統方法稍微麻煩一點(diǎn)，需要加上一些類(lèi)型轉換。因為這些超出了本文的范圍，我將不再進(jìn)一步介紹，而是說(shuō)說(shuō)支持SSL服務(wù)器連接的默認方法。

創(chuàng )建默認的 SSL 服務(wù)器套接字也包括幾個(gè)很短的步驟：

1. 創(chuàng )建服務(wù)器套接字工廠(chǎng)。
2. 創(chuàng )建并綁定服務(wù)器套接字。
3. 接受傳入的連接。
4. 開(kāi)始握手。
5. 派生流。
6. 通信。

盡管看起來(lái)似乎與客戶(hù)端的步驟相似，要注意這里去掉了很多安全選項，比如客戶(hù)驗證。

清單 11 說(shuō)明這些步驟：

SSLServerSocketFactory sslssf = 
  (SSLServerSocketFactory)SSLServerSocketFactory.getDefault();
SSLServerSocket sslss = (SSLServerSocket)sslssf.createServerSocket(port);
SSLSocket ssls = (SSLSocket)sslss.accept();
ssls.startHandshake();
InputStream is = ssls.getInputStream();
OutputStream os = ssls.getOutputStream();

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創(chuàng )建安全的非阻塞連接

要精心實(shí)現安全的非阻塞連接，也需要分別從客戶(hù)端和服務(wù)器端來(lái)看。

從客戶(hù)端

在客戶(hù)端建立安全的非阻塞連接非常簡(jiǎn)單：

1. 創(chuàng )建并連接 Socket 對象。
2. 把 Socket 對象添加到模擬層上。
3. 通過(guò)模擬層通信。

清單 12 說(shuō)明了這些步驟：

/* Create the factory, then the secure socket */
SSLSocketFactory sslFactory = 
  (SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();
SSLSocket ssl = (SSLSocket)sslFactory.createSocket(host, port);
/* Start the handshake.  Should be done before deriving channels */
ssl.startHandshake();
/* Put it into the emulation layer and create separate channels */
nbChannel socketChannel = new nbChannel(ssl);
ReadableByteChannel rbc = (ReadableByteChannel)socketChannel;
WritableByteChannel wbc = (WritableByteChannel)socketChannel;

利用前面給出的模擬層類(lèi)就可以實(shí)現非阻塞的安全連接。因為安全套接字通道不能使用SocketChannel類(lèi)打開(kāi)，而 Java API中又沒(méi)有完成這項工作的類(lèi)，所以創(chuàng )建了一個(gè)模擬類(lèi)。模擬類(lèi)可以實(shí)現非阻塞通信，無(wú)論使用安全套接字連接還是非安全套接字連接。

列出的步驟包括默認的安全設置。對于更高級的安全性，比如用戶(hù)證書(shū)和客戶(hù)驗證，參考資料部分提供了說(shuō)明如何實(shí)現的文章。

從服務(wù)器端

在服務(wù)器端建立套接字需要對默認安全稍加設置。但是一旦套接字被接收和路由，設置必須與客戶(hù)端的設置完全相同，如清單 13 所示：

/* Create the factory, then the socket, and put it into listening mode */               
                
SSLServerSocketFactory sslssf = 
  (SSLServerSocketFactory)SSLServerSocketFactory.getDefault();
SSLServerSocket sslss = (SSLServerSocket)sslssf.createServerSocket(port);
SSLSocket ssls = (SSLSocket)sslss.accept();
/* Start the handshake on the new socket */
ssls.startHandshake();
/* Put it into the emulation layer and create separate channels */
nbChannel socketChannel = new nbChannel(ssls);
ReadableByteChannel rbc = (ReadableByteChannel)socketChannel;
WritableByteChannel wbc = (WritableByteChannel)socketChannel;

同樣，要記住這些步驟使用的是默認安全設置。

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集成安全的和非安全的客戶(hù)機連接

多數 Internet 客戶(hù)機應用程序，無(wú)論使用 Java 語(yǔ)言還是其他語(yǔ)言編寫(xiě)，都需要提供安全和非安全連接。Java Secure SocketExtensions 庫使得這項工作非常容易，我最近在編寫(xiě)一個(gè) HTTP 客戶(hù)庫時(shí)就使用了這種方法。

SSLSocket 類(lèi)派生自Socket。 您可能已經(jīng)猜到我要怎么做了。所需要的只是該對象的一個(gè)Socket 指針。如果套接字連接不使用SSL，則可以像通常那樣創(chuàng )建套接字。如果要使用 SSL，就稍微麻煩一點(diǎn)，但此后的代碼就很簡(jiǎn)單了。清單14 給出了一個(gè)例子：

Socket s;
ReadableByteChannel rbc;
WritableByteChannel wbc;
nbChannel socketChannel;
if(!useSSL) s = new Socket(host, port);
else
{
    SSLSocketFactory sslsf = SSLSocketFactory.getDefault();
    SSLSocket ssls = (SSLSocket)SSLSocketFactory.createSocket(host, port);
    ssls.startHandshake();
    s = ssls;
}
socketChannel = new nbChannel(s);
rbc = (ReadableByteChannel)socketChannel;
wbc = (WritableByteChannel)socketChannel;
...
s.close();

創(chuàng )建通道之后，如果套接字使用了SSL，那么就是安全通信，否則就是普通通信。如果使用了 SSL，關(guān)閉套接字將導致握手中止。

這種設置的一種可能是使用兩個(gè)單獨的類(lèi)。一個(gè)類(lèi)負責處理通過(guò)套接字沿著(zhù)與非安全套接字的連接進(jìn)行的所有通信。一個(gè)單獨的類(lèi)應該負責創(chuàng )建安全的連接，包括安全連接的所有必要設置，無(wú)論是否是默認的。安全類(lèi)應該直接插入通信類(lèi)，只有在使用安全連接時(shí)被調用。

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最簡(jiǎn)單的集成方法

本文提出的方法是我所知道的把 JSSE 和 NIO 集成到同一代碼中以提供非阻塞安全通信的最簡(jiǎn)單方法。盡管還有其他方法，但是都需要準備實(shí)現這一過(guò)程的程序員花費大量的時(shí)間和精力。

一種可能是使用 Java Cryptography Extensions 在 NIO 上實(shí)現自己的 SSL 層。另一種方法是修改現有的稱(chēng)為EspreSSL （以前稱(chēng)為 jSSL）的定制 SSL 層， 把它改到 NIO 庫中。我建議只有在您有很充裕的時(shí)間時(shí)才使用這兩種方法。

參考資料部分的可下載 zip文件提供了示例代碼，幫助您實(shí)踐本文所述的技術(shù)，其中包括：

• nbChannel，清單 7 所介紹的模擬層的源代碼。
• 連接到 Verisign's Web 站點(diǎn)并下載主頁(yè)的示例 HTTPS 客戶(hù)程序。
• 一個(gè)簡(jiǎn)單的非阻塞安全服務(wù)器 （Secure Daytime Server）。
• 集成的安全和非安全客戶(hù)程序。