深入分析 Java IO （三）NIO

前言

前两篇文章介绍了IO和BIO, 关于相关文章的链接如下：

深入分析 Java IO （一）概述

深入分析 Java IO （二）BIO

本篇文章我们就重点介绍NIO,下面进入正文，首先做个概述。

概述

NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，一种同步非阻塞的 I/O 模型，在 Java 1.4 中引入，对应的在java.nio包下。

NIO 新增了 Channel、Selector、Buffer 等抽象概念，支持面向缓冲、基于通道的 I/O 操作方法。

NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现。

NIO 这两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞 I/O 来提升开发效率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

正文

我们先看一下 NIO 涉及到的核心关联类图，如下：

上图中有三个关键类：Channel 、Selector 和 Buffer，它们是 NIO 中的核心概念。

Channel：可以理解为通道；
Selector：可以理解为选择器；
Buffer：可以理解为数据缓冲流；

NIO 引入了 Channel、Buffer 和 Selector 就是想把 IO 传输过程中涉及到的信息具体化，让程序员有机会去控制它们。

当我们进行传统的网络 IO 操作时，比如调用 write() 往 Socket 中的 SendQ 队列写数据时，当一次写的数据超过 SendQ 长度时，操作系统会按照 SendQ 的长度进行分割的，这个过程中需要将用户空间数据和内核地址空间进行切换，而这个切换不是程序员可以控制的，由底层操作系统来帮我们处理。

而在 Buffer 中，我们可以控制 Buffer 的 capacity（容量），并且是否扩容以及如何扩容都可以控制。

代码示例

实例图：

客户端程序示例：

java复制代码package org.example.nio.example;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * NIO客户端
 */
public class NIOClient {

    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 创建通道SocketChannel
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 客户端连接服务器，其实方法执行并没有实现连接，需要在handleConnect方法中调channel.finishConnect()才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9090));
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_CONNECT
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 循环处理
        while (true) {
            /*
             * 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中，客户端的该方法不会阻塞，
             * selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的
             * 这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时。
             */
            selector.select();
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
                // 检查是否是一个就绪的已经连接服务端成功事件
                if (key.isConnectable()) {
                    handleConnect(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 处理客户端连接服务端成功事件
     */
    private static void handleConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取与服务端建立连接的通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        if (channel.isConnectionPending()) {
            // channel.finishConnect()才能完成连接
            channel.finishConnect();
        }
        channel.configureBlocking(false);
        // 数据写入通道
        String msg = "Hello Server!";
        channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 通道注册到选择器，并且这个通道只对读事件感兴趣
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 输出服务端响应发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端发来的消息：" + msg);
    }
}

服务端示例：

java复制代码package org.example.nio.example;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
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.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * NIO服务端
 */
public class NIOServer {

    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 创建通道ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将ServerSocketChannel对应的ServerSocket绑定到指定端口(port)
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9090));
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_ACCEPT事件
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 循环处理
        while (true) {
            // 当注册事件到达时，方法返回，否则该方法会一直阻塞
            selector.select();
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
                // 检查是否是一个就绪的可以被接受的客户端请求连接
                if (key.isAcceptable()) {
                    handleAccept(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 处理客户端连接成功事件
     */
    private static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取客户端连接通道
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = server.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 信息通过通道发送给客户端
        String msg = "Hello Client!";
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 给通道设置读事件，客户端监听到读事件后，进行读取操作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }


    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 输出客户端发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("server received msg from client：" + msg);
    }
}

通道channel

NIO 的核心就是通道和缓存区，所以它们的工作模式是这样的：

通道有点类似 IO 中的流，但不同的是，同一个通道既允许读也允许写，而任意一个流要么是读流要么是写流。
但是你要明白一点，通道和流一样都是需要基于物理文件的，而每个流或者通道都通过文件指针操作文件，这里说的通道是双向的也是有前提的，那就是通道基于随机访问文件RandomAccessFile的可读可写文件指针。

基本的通道类型有如下一些：

FileChannel 是基于文件的通道；

SocketChannel 和 ServerSocketChannel 用于网络 TCP 套接字数据报读写；

DatagramChannel 是用于网络 UDP 套接字数据报读写。

通道不能单独存在，它永远需要绑定一个缓存区，所有的数据只会存在于缓存区中，无论你是写或是读，必然是缓存区通过通道到达磁盘文件，或是磁盘文件通过通道到达缓存区。即缓存区是数据的起点，也是终点。

缓存区Buffer

缓冲区（Buffer）：一个用于特定基本数据类型的容器。由java.nio包定义的，所有缓冲区都是Buffer抽象类的子类。

Java NIO 中的 Buffer 主要用于和 NIO 通道进行交互，数据是从通道读入到缓冲区的，然后从缓冲区中写入到通道中的。

Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型的不同（boolean）除外，有以下 Buffer 常用子类：ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。上述 Buffer 类他们都是通过相似的方法进行管理数据的，只是各自管理的数据类型不同而已。都是通过如下的方法获取一个 Buffer 对象：

1	arduino复制代码public static XxxBuffer allocate(int capacity) {}

缓冲区的基本属性

容量（capacity）：表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且一旦创建不能更改。

限制（limit）：第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于容量。

位置（position）：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。

标记（mark）和重置（reset）：标记是一个索引，通过Buffer中的mark()方法指定Buffer中的一个特定的position，之后可以通过调用reset()方法恢复到这个position。

简而言之：0 <= mark <= position <= limit <= capacity。

Selector(选择器)

Selector 被称为选择器 ，当然你也可以翻译为多路复用器 。它是Java NIO 核心组件中的一个，用于检查一个或多个 Channel（通道）的状态是否处于连接就绪、接受就绪、可读就绪、可写就绪。

如此可以实现单线程管理多个 channels，也就是可以管理多个网络连接。

使用 Selector 的好处在于： 相比传统方式使用多个线程来管理 IO，Selector 使用了更少的线程就可以处理通道了，并且实现网络高效传输！

创建一个选择器一般是通过 Selector 的工厂方法，Selector.open ：

1	java复制代码Selector selector = Selector.open();

而一个通道想要注册到某个选择器中，必须调整模式为非阻塞模式，例如：

java复制代码//创建一个 TCP 套接字通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
//调整通道为非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//向选择器注册一个通道
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

以上代码是注册一个通道到选择器中的最简单版本，支持注册选择器的通道都有一个 register 方法，该方法就是用于注册当前实例通道到指定选择器的。

该方法的第一个参数就是目标选择器，第二个参数其实是一个二进制掩码，它指明当前选择器感兴趣当前通道的哪些事件。以枚举类型提供了以下几种取值：

int OP_READ = 1 << 0;
int OP_WRITE = 1 << 2;
int OP_CONNECT = 1 << 3;
int OP_ACCEPT = 1 << 4;

这种用二进制掩码来表示某些状态的机制，我们在讲述虚拟机类类文件结构的时候也遇到过，它就是用一个二进制位来描述一种状态。

register 方法会返回一个 SelectionKey 实例，该实例代表的就是选择器与通道的一个关联关系。你可以调用它的 selector 方法返回当前相关联的选择器实例，也可以调用它的 channel 方法返回当前关联关系中的通道实例。

除此之外，SelectionKey 的 readyOps 方法将返回当前选择感兴趣当前通道中事件中准备就绪的事件集合，依然返回的一个整型数值，也就是一个二进制掩码。

例如：

1	java复制代码int readySet = selectionKey.readyOps();

假如 readySet 的值为 13，二进制「0000 1101」，从后向前数，第一位为 1，第三位为 1，第四位为 1，那么说明选择器关联的通道，读就绪、写就绪，连接就绪。

所以，当我们注册一个通道到选择器之后，就可以通过返回的 SelectionKey 实例监听该通道的各种事件。

当然，一旦某个选择器中注册了多个通道，我们不可能一个一个的记录它们注册时返回的 SelectionKey 实例来监听通道事件，选择器应当有方法返回所有注册成功的通道相关的 SelectionKey 实例。

1	java复制代码Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

selectedKeys 方法会返回选择器中注册成功的所有通道的 SelectionKey 实例集合。我们通过这个集合的 SelectionKey 实例，可以得到所有通道的事件就绪情况并进行相应的处理操作。

总结

优点
- 1个线程就行就能处理所有连接，这个线程不停循环遍历就行了。
缺点
- 单线程不停循环发起系统调用，一样会耗尽 CPU 资源。
NIO 的瓶颈
- 在于需要不停的调起系统调用，每个链接我们都要调系统调用询问是否有过来数据，我们要是明确的知道哪个连接有数据包过来呢，就不用挨个遍历寻找找答案了。

结尾

我是一个正在被打击还在努力前进的码农。如果文章对你有帮助，记得点赞、关注哟，谢谢！

本文转载自: 掘金

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