初识Java中的NIO

1.概述

Java NIO 全称java non-blocking IO ，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的。NIO采用内存映射文件的方式来处理输入输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样访问文件。NIO与原来的IO有同样的作用，但是使用的方式完全不同， NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

2.NIO 三大核心原理示意图

NIO 有三大核心部分：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器)。NIO是面向缓冲区编程。数据读取到一个buffer中(缓冲区)，需要时可在缓冲区内前后移动，增加了处理过程中的灵活性，使用它可提供非阻塞式的伸缩性网络。对于非阻塞式的理解：通俗来说就是一个线程可以处理多个操作。
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每个 channel 都会对应一个 Buffer；
Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 channel(连接)；
每个 channel 都注册到 Selector选择器上；
Selector不断轮询查看Channel上的事件, 根据不同的事件完成不同的操作；
Buffer 就是一个内存块，底层是一个数组，NIO的Buffer是可以读也是可以写的，channel是双向的。

2.1 缓冲区Buffer

缓冲区实际上是一个容器对象，底层是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。具体看下面这张图就理解了：

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上图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入Buffer中，然后将Buffer中的数据写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。

在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：
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注：可以看到除了Boolean 类型外，其它都有对应的Buffer。

Buffer四个成员变量的说明

private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;

一般来说，四个属性的关系应该属于:

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

属性	说明
capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时设置并且不能改变
limit	上限，缓冲区中当前的数据量
position	位置，缓冲区中下一个要被读或写的元素的索引
mark	调用mark()方法来设置mark=position，再调用reset()可以让position恢复到mark标记的位置，即position=mark

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由于缓存区是读写共存，所以不同的模式下，这两个变量的值也具有不同的意义。

写模式下，所谓写模式就是将缓存区中的内容写入通道(buffer–>channel)。position 代表下一个字节应该被写出去的字节在缓存区中的位置，limit 表示最后一个待写字节在缓存区的位置。

读模式下，所谓读模式就是从通道读取数据到缓存区(channel–>buffers)。position 代表下一个读出来的字节应当存储在缓存区的位置，limit 等于 capacity。

2.2 通道channel

Channel和传统IO中的Stream很相似。虽然相似，但是有很大的区别，主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以读，也可以写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写，比如：InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作。但是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。

通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

比喻：通常把IO比喻成为水流，管道就是水流的通道；把NIO比喻为火车的轨道，然后缓冲区就是上面的火车。
在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：
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Channel(通道)表示到实体如硬件设备、文件、网络套接字或可以执行一个或多个不同I/O操作的程序组件的开放的连接。所有的Channel都不是通过构造器创建的，而是通过传统的节点InputStream、OutputStream的getChannel方法来返回响应的Channel。

Channel中最常用的三个类方法就是map、read和write，其中map方法用于将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer，而read或write方法有一系列的重载形式，这些方法用于从Buffer中读取数据或向Buffer中写入数据。

2.3 选择器Selector

Selector类是NIO的核心类，**Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。**这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，这2个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。

Selector选择器可以理解为一个IO事件的监听与查询器，通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

什么是IO事件？

表示通道某种IO操作已经就绪或者说已经做好了准备。

例如：如果一个新Channel连接建立成功，就会在Server Socket Channel上发生一个IO事件，代表一个新连接一个准备好，这个IO事件叫做“接收就绪”事件。

NIO定义了四个事件：SelectionKey.OP_ACCEPT、SelectionKey.OP_CONNECT、SelectionKey.OP_READ、SelectionKey.OP_WRITE

3.使用案例

3.1服务端

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.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建Selector对象，管理多个channel
        Selector selector = Selector.open();
        //创建ServerSocketChannel对象(绑定主机名和端口号)
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        //设置服务为非阻塞(必须配置，否则报错)
        ssc.configureBlocking(false);
        // 通道可支持的操作：支持新的连接 监听ACCEPT事件
        // ServerSocketChannel仅支持接受新连接，因此此方法返回SelectionKey.OP_ACCEPT 。
        int ops = ssc.validOps();
        //将通道注册到selector 等待连接
        SelectionKey selectKy = ssc.register(selector, ops, null);
        for (; ; ) {// 无条件的循环
            // 检测当前选择器注册通道是否有就绪事件，如果没有就阻塞，有事件，线程才会恢复运行
            int noOfKeys = selector.select();
            if (noOfKeys <= 0) {
                continue;
            }
            // 获取就绪的事件，即为选择器键集合
            Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator itr = selectedKeys.iterator();
            while (itr.hasNext()) {
                SelectionKey ky = (SelectionKey) itr.next();
                //选择键事件为接收就绪事件
                if (ky.isAcceptable()) {
                    //获取客户端连接通道
                    SocketChannel client = ssc.accept();
                    //配置客户端为非阻塞
                    client.configureBlocking(false);
                    //重点关注：READ事件
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    // 选择键为READ事件
                } else if (ky.isReadable()) {
                    //获取客户端SocketChannel通道
                    SocketChannel client = (SocketChannel) ky.channel();
                    //设置缓冲区大小
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);
                    //客户端读取缓冲区数据
                    client.read(buffer);
                    String output = new String(buffer.array()).trim();
                    System.out.println("接收客户端信息: " + output);
                    ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(("服务端时间戳："+System.currentTimeMillis()).getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                    //将数据写回缓冲区
                    client.write(buffer1);
                }
                itr.remove();// 将选择键清空，防止下次循环时被重复处理
            }
        }
    }
}

3.2 客户端

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建InetSocketAddress对象，绑定主机名和端口号
        InetSocketAddress hA = new InetSocketAddress("localhost", 8080);
        //获取客户端SocketChannel通道
        SocketChannel client = SocketChannel.open(hA);
        System.out.println("The Client is sending messages to server...");
        for (; ; ) {
            //实例化缓冲区对象
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("客户端时间戳：" + System.currentTimeMillis()).getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            //数据写入缓冲区
            client.write(buffer);
            //清空缓冲区
            buffer.clear();
            //设置新缓冲区的大小
            ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(256);
            //读取新缓冲区数据
            client.read(buffer1);
            //打印结果到控制台
            System.out.println("接收服务器消息：" + new String(buffer1.array(), StandardCharsets.UTF_8).trim());
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        }

    }
}