13.NIO

NIO三大核心

Buffer緩沖區(qū)

緩沖區(qū)本質(zhì)上是一個(gè)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊(類似數(shù)組)，然后可以再次讀取。此內(nèi)存塊包含在NIO Buffer對(duì)象中，該對(duì)象提供了一組方法，可以更輕松地使用內(nèi)存塊。相比較直接對(duì)數(shù)組的操作，Buffer API更加容易操作和管理

使用Buffer進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀取，需要進(jìn)行如下四個(gè)步驟：

  1. 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)
  2. 調(diào)用buffer.flip(),轉(zhuǎn)換為讀取模式，如果不調(diào)用，則position還在之前寫(xiě)模式寫(xiě)到的位置,讀取數(shù)據(jù)肯定不全面
  3. 緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
  4. 調(diào)用buffer.clear()清除緩沖區(qū)，否則寫(xiě)的數(shù)據(jù)超出的話，則會(huì)越界異常
  5. buffer.compact()僅清除已閱讀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為寫(xiě)入模式，否則寫(xiě)的數(shù)據(jù)超出的話，則會(huì)越界異常

Buffer三個(gè)重要屬性

  • capacity容量：作為一個(gè)內(nèi)存塊，Buffer具有一定的固定大小，也稱為"容量"
  • position位置：寫(xiě)入模式時(shí)代表寫(xiě)數(shù)據(jù)的位置。讀取模式時(shí)代表讀取數(shù)據(jù)的位置

  • limit限制：寫(xiě)入模式，限制等于buffer的容量。讀取模式下，limit等于寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量(可讀量)


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補(bǔ)充：

  • rewind() 重置position為0
  • mark() 標(biāo)記position的位置
  • reset() 重置position為上次mark()標(biāo)記的位置

ByteBuffer內(nèi)存類型

ByteBuffer為性能關(guān)鍵型代碼提供了直接內(nèi)存(direct堆外)和非直接內(nèi)存(heap堆)兩種實(shí)現(xiàn)。堆外內(nèi)存獲取的方式：ByteBuffer directByteBuffer=ByteBuffer.allocateDirect(noBytes);

  • 好處

    • 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)IO或者文件IO時(shí)比heapBuffer少一次拷貝。(file/socker----OS memory ---- jvm heap)。GC會(huì)移動(dòng)對(duì)象內(nèi)存，在寫(xiě)file或者socket的過(guò)程中，JVM的實(shí)現(xiàn)中，會(huì)先把數(shù)據(jù)復(fù)制到堆外，再進(jìn)行寫(xiě)入。
    • GC范圍之外，降低GC壓力，但實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)管理。DirectByteBuffer中有一個(gè)Cleaner對(duì)象(PhantomReference),Cleaner被GC前會(huì)執(zhí)行clean方法，觸發(fā)DirectByteBuffer中定義的Deallocator

  • 解釋：為什么JVM需要拷貝一次數(shù)據(jù)到系統(tǒng)內(nèi)存，因?yàn)閖vm本身有g(shù)c，所以如果不拷貝，則在移動(dòng)過(guò)程中很可能出現(xiàn)地址變化了的問(wèn)題(被回收),地址一旦變化，則file/socket操作自然而然不知道哪里是哪里；就類似于交易，如果用股票抵消債務(wù)，股票實(shí)時(shí)變動(dòng)，很可能走手續(xù)過(guò)程中價(jià)值變化，所以需要先賣出股票然后進(jìn)行相關(guān)操作。

  • 建議

    • 性能確實(shí)可觀的時(shí)候才去使用，分配給大型、長(zhǎng)壽命:(網(wǎng)絡(luò)傳輸、文件讀寫(xiě)場(chǎng)景)
    • 通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù)MaxDirectMemorySize限制大小，防止耗盡整個(gè)機(jī)器的內(nèi)存；

Channel通道

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SocketChannel

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ServerSocketChannel

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//會(huì)導(dǎo)致只能接收一個(gè)客戶端連接的代碼示例
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端
        ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);//設(shè)置為非阻塞模式
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));//綁定端口
        System.out.println("啟動(dòng)成功");
        while (true) {
            SocketChannel socketChannel=serverSocketChannel.accept();//獲取新tcp連接通道
            if (socketChannel != null) {
                System.out.println("收到新連接"+socketChannel.getLocalAddress());
                socketChannel.configureBlocking(false);//默認(rèn)阻塞的，一定要設(shè)置為非阻塞
                ByteBuffer requestBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
                //注意此處，會(huì)導(dǎo)致只能接收一個(gè)連接在這個(gè)連接沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)之前，當(dāng)前邏輯會(huì)導(dǎo)致在此處死等
                while (socketChannel.isOpen()&&socketChannel.read(requestBuffer)!=-1) {
                    //長(zhǎng)連接情況下，需要手動(dòng)改判斷數(shù)據(jù)有沒(méi)有讀取結(jié)束(此處做一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷，超過(guò)0字節(jié)就認(rèn)為請(qǐng)求結(jié)束了)
                    if (requestBuffer.position()>0) {
                        break;
                    }
                }
                if (requestBuffer.position()==0) continue;//如果沒(méi)有數(shù)據(jù)了，則不繼續(xù)后面的處理
                requestBuffer.flip();//轉(zhuǎn)為讀模式
                byte[] content=new byte[requestBuffer.limit()];
                requestBuffer.get(content);
                System.out.println(new String(content));
                System.out.println("收到數(shù)據(jù),來(lái)自:"+socketChannel.getRemoteAddress());
                String response="HTTP/1.1 200OK\r\n"+
                        "Content-Length: 11\r\n\r\n"+
                        "Hello World";
                ByteBuffer buffer=ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    socketChannel.write(buffer);//非阻塞
                }
            }
        }
    }
}



public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080));
        while (!socketChannel.finishConnect()) {
            //沒(méi)鏈接上，則一直等待
            Thread.yield();
        }
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        System.out.println("請(qǐng)輸入：");
        String msg=scanner.nextLine();
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        while (buffer.hasRemaining()) {
            socketChannel.write(buffer);
        }
        //讀取響應(yīng)
        System.out.println("收到服務(wù)端響應(yīng)");
        ByteBuffer requestBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
        while (socketChannel.isOpen()&&socketChannel.read(requestBuffer)!=-1) {
            if (requestBuffer.position()>0) {
                break;
            }
        }
        requestBuffer.flip();
        byte[] content=new byte[requestBuffer.limit()];
        requestBuffer.get(content);
        System.out.println(new String(content));
        scanner.close();
        socketChannel.close();
    }
}

Selector選擇器

Selector是一個(gè)Java NIO組件，可以檢查一個(gè)或多個(gè)NIO通道，并確定哪些通道已準(zhǔn)備好進(jìn)行讀取或?qū)懭搿?shí)現(xiàn)單個(gè)線程可以管理多個(gè)通過(guò)，從而管理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接。如果不使用選擇器，則必須自己手動(dòng)實(shí)現(xiàn)while循環(huán)類似的代碼，才能確保不停的接收連接和正常的數(shù)據(jù)傳輸


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//client和上面的一樣，只是用選擇器改進(jìn)了server端
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);//設(shè)置為非阻塞模式
        //構(gòu)建一個(gè)Selector選擇器，并且將channel注冊(cè)上去
        Selector selector = Selector.open();
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, serverSocketChannel);
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);//對(duì)serverSocketChannel上面的accept事件感興趣(serverSocketChannel只能支持accept操作)

        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));//綁定端口
        System.out.println("啟動(dòng)成功");
        while (true) {
            //不在輪詢通道，改用下面輪詢事件的方式 select方法有阻塞效果，直到有事件通知才會(huì)有返回
            selector.select();
            //獲取事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            //遍歷查詢結(jié)果
            Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                //關(guān)注Read和Accept兩個(gè)事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.attachment();
                    //將拿到的客戶端連接通道，注冊(cè)到selector上面
                    SocketChannel clientSocketChannel = server.accept();
                    clientSocketChannel.configureBlocking(false);
                    //接收到客戶端連接之后，注冊(cè)讀取事件，這樣下面的key.isReadable()才能進(jìn)入
                    clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, clientSocketChannel);
                    System.out.println("收到新連接:" + clientSocketChannel.getRemoteAddress());
                }

                if (key.isReadable()) {
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.attachment();
                    ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) {
                        //長(zhǎng)連接情況下，需要手動(dòng)改判斷數(shù)據(jù)有沒(méi)有讀取結(jié)束(此處做一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷，超過(guò)0字節(jié)就認(rèn)為請(qǐng)求結(jié)束了)
                        if (requestBuffer.position() > 0) {
                            break;
                        }
                    }
                    if (requestBuffer.position() == 0) continue;//如果沒(méi)有數(shù)據(jù)了，則不繼續(xù)后面的處理
                    requestBuffer.flip();//轉(zhuǎn)為讀模式
                    byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
                    requestBuffer.get(content);
                    System.out.println(new String(content));
                    System.out.println("收到數(shù)據(jù),來(lái)自:" + socketChannel.getRemoteAddress());
                    String response = "HTTP/1.1 200OK\r\n" +
                            "Content-Length: 11\r\n\r\n" +
                            "Hello World";
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        socketChannel.write(buffer);//非阻塞
                    }
                }
            }
            selector.selectNow();
        }
    }
}

實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程處理多個(gè)通道的核心概念理解：事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制
非阻塞的網(wǎng)絡(luò)通道下，開(kāi)發(fā)者通過(guò)Selector注冊(cè)對(duì)于通道感興趣的事件類型，線程通過(guò)監(jiān)聽(tīng)事件來(lái)觸發(fā)響應(yīng)的代碼執(zhí)行。(更底層是操作系統(tǒng)的多路復(fù)用機(jī)制)


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BIO和NIO對(duì)比

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NIO與多線程結(jié)合的改進(jìn)方案

當(dāng)并發(fā)高的時(shí)候，單線程處理連接很容易遇到性能瓶頸，則此時(shí)可以NIO和多線程結(jié)合使用


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