背景知識
同步、異步、阻塞、非阻塞
首先，這幾個概念非常容易搞混淆，但NIO中又有涉及，所以總結一下。
同步：API調(diào)用返回時調(diào)用者就知道操作的結果如何了（實際讀取/寫入了多少字節(jié)）。
異步：相對于同步，API調(diào)用返回時調(diào)用者不知道操作的結果，后面才會回調(diào)通知結果。
阻塞：當無數(shù)據(jù)可讀，或者不能寫入所有數(shù)據(jù)時，掛起當前線程等待。
非阻塞：讀取時，可以讀多少數(shù)據(jù)就讀多少然后返回，寫入時，可以寫入多少數(shù)據(jù)就寫入多少然后返回。
對于I/O操作，根據(jù)Oracle官網(wǎng)的文檔，同步異步的劃分標準是“調(diào)用者是否需要等待I/O操作完成”，這個“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要讀取到數(shù)據(jù)或者說寫入所有數(shù)據(jù)，而是指真正進行I/O操作時，比如數(shù)據(jù)在TCP/IP協(xié)議棧緩沖區(qū)和JVM緩沖區(qū)之間傳輸?shù)倪@段時間，調(diào)用者是否要等待。
所以，我們常用的 read() 和 write() 方法都是同步I/O，同步I/O又分為阻塞和非阻塞兩種模式，如果是非阻塞模式，檢測到無數(shù)據(jù)可讀時，直接就返回了，并沒有真正執(zhí)行I/O操作。
總結就是，Java中實際上只有 同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O 與 異步I/O 三種機制，我們下文所說的是前兩種，JDK 1.7才開始引入異步 I/O，那稱之為NIO.2。
傳統(tǒng)IO
我們知道，一個新技術的出現(xiàn)總是伴隨著改進和提升，Java NIO的出現(xiàn)亦如此。
傳統(tǒng) I/O 是阻塞式I/O，主要問題是系統(tǒng)資源的浪費。比如我們?yōu)榱俗x取一個TCP連接的數(shù)據(jù)，調(diào)用 InputStream 的 read() 方法，這會使當前線程被掛起，直到有數(shù)據(jù)到達才被喚醒，那該線程在數(shù)據(jù)到達這段時間內(nèi)，占用著內(nèi)存資源（存儲線程棧）卻無所作為，也就是俗話說的占著茅坑不拉屎，為了讀取其他連接的數(shù)據(jù)，我們不得不啟動另外的線程。在并發(fā)連接數(shù)量不多的時候，這可能沒什么問題，然而當連接數(shù)量達到一定規(guī)模，內(nèi)存資源會被大量線程消耗殆盡。另一方面，線程切換需要更改處理器的狀態(tài)，比如程序計數(shù)器、寄存器的值，因此非常頻繁的在大量線程之間切換，同樣是一種資源浪費。
隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了新的I/O機制，可以避免這種資源浪費。基于此，誕生了Java NIO，NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。緊接著我們發(fā)現(xiàn)，簡單的使用非阻塞I/O并不能解決問題，因為在非阻塞模式下，read()方法在沒有讀取到數(shù)據(jù)時就會立即返回，不知道數(shù)據(jù)何時到達的我們，只能不停的調(diào)用read()方法進行重試，這顯然太浪費CPU資源了，從下文可以知道，Selector組件正是為解決此問題而生。
Java NIO 核心組件
1.Channel
概念
Java NIO中的所有I/O操作都基于Channel對象，就像流操作都要基于Stream對象一樣，因此很有必要先了解Channel是什么。以下內(nèi)容摘自JDK 1.8的文檔
A channel represents an open connection to an entity such as a hardware device, a file, a network socket, or a program component that is capable of performing one or more distinct I/O operations, for example reading or writing.
從上述內(nèi)容可知，一個Channel（通道）代表和某一實體的連接，這個實體可以是文件、網(wǎng)絡套接字等。也就是說，通道是Java NIO提供的一座橋梁，用于我們的程序和操作系統(tǒng)底層I/O服務進行交互。
通道是一種很基本很抽象的描述，和不同的I/O服務交互，執(zhí)行不同的I/O操作，實現(xiàn)不一樣，因此具體的有FileChannel、SocketChannel等。
通道使用起來跟Stream比較像，可以讀取數(shù)據(jù)到Buffer中，也可以把Buffer中的數(shù)據(jù)寫入通道。
當然，也有區(qū)別，主要體現(xiàn)在如下兩點：
一個通道，既可以讀又可以寫，而一個Stream是單向的（所以分 InputStream 和 OutputStream）
通道有非阻塞I/O模式
實現(xiàn)
Java NIO中最常用的通道實現(xiàn)是如下幾個，可以看出跟傳統(tǒng)的 I/O 操作類是一一對應的。
FileChannel：讀寫文件
DatagramChannel: UDP協(xié)議網(wǎng)絡通信
SocketChannel：TCP協(xié)議網(wǎng)絡通信
ServerSocketChannel：監(jiān)聽TCP連接
2.Buffer
NIO中所使用的緩沖區(qū)不是一個簡單的byte數(shù)組，而是封裝過的Buffer類，通過它提供的API，我們可以靈活的操縱數(shù)據(jù)，下面細細道來。
與Java基本類型相對應，NIO提供了多種 Buffer 類型，如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等，區(qū)別就是讀寫緩沖區(qū)時的單位長度不一樣（以對應類型的變量為單位進行讀寫）。
Buffer中有3個很重要的變量，它們是理解Buffer工作機制的關鍵，分別是
capacity （總容量）
position （指針當前位置）
limit （讀/寫邊界位置）
Buffer的工作方式跟C語言里的字符數(shù)組非常的像，類比一下，capacity就是數(shù)組的總長度，position就是我們讀/寫字符的下標變量，limit就是結束符的位置。Buffer初始時3個變量的情況如下圖
在對Buffer進行讀/寫的過程中，position會往后移動，而 limit 就是 position 移動的邊界。由此不難想象，在對Buffer進行寫入操作時，limit應當設置為capacity的大小，而對Buffer進行讀取操作時，limit應當設置為數(shù)據(jù)的實際結束位置。（注意：將Buffer數(shù)據(jù)?寫入?通道是Buffer?讀取?操作，從通道?讀取?數(shù)據(jù)到Buffer是Buffer?寫入?操作）
在對Buffer進行讀/寫操作前，我們可以調(diào)用Buffer類提供的一些輔助方法來正確設置 position 和 limit 的值，主要有如下幾個
flip(): 設置 limit 為 position 的值，然后 position 置為0。對Buffer進行讀取操作前調(diào)用。
rewind(): 僅僅將 position 置0。一般是在重新讀取Buffer數(shù)據(jù)前調(diào)用，比如要讀取同一個Buffer的數(shù)據(jù)寫入多個通道時會用到。
clear(): 回到初始狀態(tài)，即 limit 等于 capacity，position 置0。重新對Buffer進行寫入操作前調(diào)用。
compact(): 將未讀取完的數(shù)據(jù)（position 與 limit 之間的數(shù)據(jù)）移動到緩沖區(qū)開頭，并將 position 設置為這段數(shù)據(jù)末尾的下一個位置。其實就等價于重新向緩沖區(qū)中寫入了這么一段數(shù)據(jù)。
然后，看一個實例，使用 FileChannel 讀寫文本文件，通過這個例子驗證通道可讀可寫的特性以及Buffer的基本用法（注意 FileChannel 不能設置為非阻塞模式）。
FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
? ? channel.position(channel.size());? // 移動文件指針到末尾（追加寫入）
? ? ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);
? ? // 數(shù)據(jù)寫入Buffer
? ? byteBuffer.put("你好，世界！\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
? ? // Buffer -> Channel
? ? byteBuffer.flip();
? ? while (byteBuffer.hasRemaining()) {
? ? ? ? channel.write(byteBuffer);
? ? }
? ? channel.position(0); // 移動文件指針到開頭（從頭讀?。?/p>
? ? CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
? ? CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();
? ? // 讀出所有數(shù)據(jù)
? ? byteBuffer.clear();
? ? while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
? ? ? ? byteBuffer.flip();
? ? ? ? // 使用UTF-8解碼器解碼
? ? ? ? charBuffer.clear();
? ? ? ? decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);
? ? ? ? System.out.print(charBuffer.flip().toString());
? ? ? ? byteBuffer.compact(); // 數(shù)據(jù)可能有剩余
? ? }
? ? channel.close();
這個例子中使用了兩個Buffer，其中 byteBuffer 作為通道讀寫的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，charBuffer 用于存儲解碼后的字符。clear() 和 flip() 的用法正如上文所述，需要注意的是最后那個 compact() 方法，即使 charBuffer 的大小完全足以容納 byteBuffer 解碼后的數(shù)據(jù)，這個 compact() 也必不可少，這是因為常用中文字符的UTF-8編碼占3個字節(jié)，因此有很大概率出現(xiàn)在中間截斷的情況，
當 Decoder 讀取到緩沖區(qū)末尾的 0xe4 時，無法將其映射到一個 Unicode，decode()方法第三個參數(shù) false 的作用就是讓 Decoder 把無法映射的字節(jié)及其后面的數(shù)據(jù)都視作附加數(shù)據(jù)，因此 decode() 方法會在此處停止，并且 position 會回退到 0xe4 的位置。如此一來， 緩沖區(qū)中就遺留了“中”字編碼的第一個字節(jié)，必須將其 compact 到前面，以正確的和后序數(shù)據(jù)拼接起來。
BTW，例子中的 CharsetDecoder 也是 Java NIO 的一個新特性，所以大家應該發(fā)現(xiàn)了一點哈，NIO的操作是面向緩沖區(qū)的（傳統(tǒng)I/O是面向流的）。
至此，我們了解了 Channel 與 Buffer 的基本用法。接下來要說的是讓一個線程管理多個Channel的重要組件。
3.Selector
Selector 是什么
Selector（選擇器）是一個特殊的組件，用于采集各個通道的狀態(tài)（或者說事件）。我們先將通道注冊到選擇器，并設置好關心的事件，然后就可以通過調(diào)用select()方法，靜靜地等待事件發(fā)生。
通道有如下4個事件可供我們監(jiān)聽：
Accept：有可以接受的連接
Connect：連接成功
Read：有數(shù)據(jù)可讀
Write：可以寫入數(shù)據(jù)了
為什么要用Selector
前文說了，如果用阻塞I/O，需要多線程（浪費內(nèi)存），如果用非阻塞I/O，需要不斷重試（耗費CPU）。Selector的出現(xiàn)解決了這尷尬的問題，非阻塞模式下，通過Selector，我們的線程只為已就緒的通道工作，不用盲目的重試了。比如，當所有通道都沒有數(shù)據(jù)到達時，也就沒有Read事件發(fā)生，我們的線程會在select()方法處被掛起，從而讓出了CPU資源。
使用方法
如下所示，創(chuàng)建一個Selector，并注冊一個Channel。
注意：要將 Channel 注冊到 Selector，首先需要將 Channel 設置為非阻塞模式，否則會拋異常。
Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
register()方法的第二個參數(shù)名叫“interest set”，也就是你所關心的事件集合。如果你關心多個事件，用一個“按位或運算符”分隔，比如
SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE
這種寫法一點都不陌生，支持位運算的編程語言里都這么玩，用一個整型變量可以標識多種狀態(tài)，它是怎么做到的呢，其實很簡單，舉個例子，首先預定義一些常量，它們的值（二進制）如下
可以發(fā)現(xiàn)，它們值為1的位都是錯開的，因此對它們進行按位或運算之后得出的值就沒有二義性，可以反推出是由哪些變量運算而來。怎么判斷呢，沒錯，就是“按位與”運算。比如，現(xiàn)在有一個狀態(tài)集合變量值為 0011，我們只需要判斷 “0011 & OP_READ” 的值是 1 還是 0 就能確定集合是否包含 OP_READ 狀態(tài)。
然后，注意 register() 方法返回了一個SelectionKey的對象，這個對象包含了本次注冊的信息，我們也可以通過它修改注冊信息。從下面完整的例子中可以看到，select()之后，我們也是通過獲取一個 SelectionKey 的集合來獲取到那些狀態(tài)就緒了的通道。
一個完整實例
概念和理論的東西闡述完了（其實寫到這里，我發(fā)現(xiàn)沒寫出多少東西，好尷尬(⊙?⊙)），看一個完整的例子吧。
這個例子使用Java NIO實現(xiàn)了一個單線程的服務端，功能很簡單，監(jiān)聽客戶端連接，當連接建立后，讀取客戶端的消息，并向客戶端響應一條消息。
需要注意的是，我用字符 ‘\0′（一個值為0的字節(jié)） 來標識消息結束。
單線程Server
public class NioServer {
? ? public static void main(String[] args) throws IOException {
? ? ? ? // 創(chuàng)建一個selector
? ? ? ? Selector selector = Selector.open();
? ? ? ? // 初始化TCP連接監(jiān)聽通道
? ? ? ? ServerSocketChannel listenChannel = ServerSocketChannel.open();
? ? ? ? listenChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
? ? ? ? listenChannel.configureBlocking(false);
? ? ? ? // 注冊到selector（監(jiān)聽其ACCEPT事件）
? ? ? ? listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
? ? ? ? // 創(chuàng)建一個緩沖區(qū)
? ? ? ? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
? ? ? ? while (true) {
? ? ? ? ? ? selector.select(); //阻塞，直到有監(jiān)聽的事件發(fā)生
? ? ? ? ? ? Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
? ? ? ? ? ? // 通過迭代器依次訪問select出來的Channel事件
? ? ? ? ? ? while (keyIter.hasNext()) {
? ? ? ? ? ? ? ? SelectionKey key = keyIter.next();
? ? ? ? ? ? ? ? if (key.isAcceptable()) { // 有連接可以接受
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? channel.configureBlocking(false);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? System.out.println("與【" + channel.getRemoteAddress() + "】建立了連接！");
? ? ? ? ? ? ? ? } else if (key.isReadable()) { // 有數(shù)據(jù)可以讀取
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? buffer.clear();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // 讀取到流末尾說明TCP連接已斷開，
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // 因此需要關閉通道或者取消監(jiān)聽READ事件
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // 否則會無限循環(huán)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (((SocketChannel) key.channel()).read(buffer) == -1) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? key.channel().close();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? continue;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // 按字節(jié)遍歷數(shù)據(jù)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? buffer.flip();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? while (buffer.hasRemaining()) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? byte b = buffer.get();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (b == 0) { // 客戶端消息末尾的\0
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? System.out.println();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? // 響應客戶端
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? buffer.clear();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? buffer.put("Hello, Client!\0".getBytes());
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? buffer.flip();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? while (buffer.hasRemaining()) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ((SocketChannel) key.channel()).write(buffer);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? } else {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? System.out.print((char) b);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? // 已經(jīng)處理的事件一定要手動移除
? ? ? ? ? ? ? ? keyIter.remove();
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? }
? ? }
}
Client
這個客戶端純粹測試用，為了看起來不那么費勁，就用傳統(tǒng)的寫法了，代碼很簡短。
要嚴謹一點測試的話，應該并發(fā)運行大量Client，統(tǒng)計服務端的響應時間，而且連接建立后不要立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣才能發(fā)揮出服務端非阻塞I/O的優(yōu)勢。
public class Client {
? ? public static void main(String[] args) throws Exception {
? ? ? ? Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
? ? ? ? InputStream is = socket.getInputStream();
? ? ? ? OutputStream os = socket.getOutputStream();
? ? ? ? // 先向服務端發(fā)送數(shù)據(jù)
? ? ? ? os.write("Hello, Server!\0".getBytes());
? ? ? ? // 讀取服務端發(fā)來的數(shù)據(jù)
? ? ? ? int b;
? ? ? ? while ((b = is.read()) != 0) {
? ? ? ? ? ? System.out.print((char) b);
? ? ? ? }
? ? ? ? System.out.println();
? ? ? ? socket.close();
? ? }
}
NIO vs IO
學習了NIO之后我們都會有這樣一個疑問：到底什么時候該用NIO，什么時候該用傳統(tǒng)的I/O呢？
其實了解他們的特性后，答案還是比較明確的，NIO擅長1個線程管理多條連接，節(jié)約系統(tǒng)資源，但是如果每條連接要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大的話，因為是同步I/O，會導致整體的響應速度很慢；而傳統(tǒng)I/O為每一條連接創(chuàng)建一個線程，能充分利用處理器并行處理的能力，但是如果連接數(shù)量太多，內(nèi)存資源會很緊張。
總結就是：連接數(shù)多數(shù)據(jù)量小用NIO，連接數(shù)少用I/O（寫起來也簡單- -）。
Next
經(jīng)過NIO核心組件的學習，了解了非阻塞服務端實現(xiàn)的基本方法。然而，細心的你們肯定也發(fā)現(xiàn)了，上面那個完整的例子，實際上就隱藏了很多問題。比如，例子中只是簡單的將讀取到的每個字節(jié)輸出，實際環(huán)境中肯定是要讀取到完整的消息后才能進行下一步處理，由于NIO的非阻塞特性，一次可能只讀取到消息的一部分，這已經(jīng)很糟糕了，如果同一條連接會連續(xù)發(fā)來多條消息，那不僅要對消息進行拼接，還需要切割，同理，例子中給客戶端響應的時候，用了個while()循環(huán)，保證數(shù)據(jù)全部write完成再做其它工作，實際應用中為了性能，肯定不會這么寫。另外，為了充分利用現(xiàn)代處理器多核心并行處理的能力，應該用一個線程組來管理這些連接的事件。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 歡迎工作一到五年的Java工程師朋友們加入Java群：?891219277
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