NIO基础——三大组件

最新推荐文章于 2024-08-19 19:55:55 发布

AragakiYui_Lover

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文章标签： java 后端 nio

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三大核心组件

NIO的三个最重要的核心分别为：Channel，Buffer和Selector。

1.Channel（通道）

Channel就像是通道，是一个关于程序与操作系统底层I/O服务交互的通道。
比如：我们的程序对系统中某一个文件进行连接，以便于我们对它进行后续的操作。

常见的Channel有以下四种:

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel
FileChannel主要用于文件传输，其他三种用于网络通信。

2.Buffer（缓冲区）

当我们有了连接通道，我们需要将拿到的数据放到一个缓冲区域，以便于程序对它的读取/写入操作

常见的Buffer有以下几种：

ByteBuffer
- MappedByteBuffer
- DirectByteBuffer
- HeapByteBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer
CharBuffer
其中最常用的是ByteBuffer

3.Selector（选择器）

	Selector（选择器）是一个特殊的组件，用于采集各个通道的状态（或者说事件）。
	我们先将通道注册到选择器，并设置好关心的事件，然后就可以通过调用select()方法，静静地等待事件发生。

在selector技术之前，处理socket连接有以下两种方法。
多线程技术
系统为每一个连接分配一个thread（线程），分别去处理对应的socket连接。

这种方法的弊端：

内存占用高。每有一个socket连接，系统就要分配一个线程去对接。当出现大量连接时，会开辟大量线程，导致占用大量内存。
线程上下文切换成本高。
只适合连接数较少的场景。

什么是线程上下文切换？
一个CPU在同一个时刻是只能处理一个线程的，由于时间片耗尽或出现阻塞等情况，CPU 会转去执行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换。

线程池技术
使用线程池，让线程池中的线程去处理连接

这种方法的弊端：

在阻塞模式下，线程只能处理一个连接。线程池中的线程获取任务，只有当任务完成/socket断开连接，才会去获取执行
下一个任务
只适合短链接的场景。

选择器（Selector）技术

为每个线程配合一个选择器，让选择器去管理多个channel。（注：FileChannel是阻塞式的，因此无法使用选择器。）
让选择器去管理多个工作在非阻塞式下的Channel，获取Channel上的事件，当一个Channel没有任务时，就转而去执行别的Channel上的任务。这种适合用在连接多，流量小的场景。
选择器技术
若事件未就绪，调用 selector 的 select() 方法会阻塞线程，直到 channel 发生了就绪事件。这些事件就绪后，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

二、聊聊ByteBuffer

1.ByteBuffer的重要属性

首先了解ByteBuffer的四个属性：

capacity：缓冲区的容量，不可变。（在netty中可变哦~）
limit：缓冲区的界限。limit之后的数据不允许读写
position：读写指针。position不可大于limit，且position不为负数。
mark：标记。记录当前position的值。position被改变后，可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置。

2.ByteBuffer的方法

2-1.allocate方法

allocate是ByteBuffer的一个静态方法。通过allocate我们可以给ByteBuffer分配空间，但是这个空间不可以动态变换，如果想要改变ByteBuffer的大小只能重新分配一个。

2-2.allocateDirect方法

allocateDirect也是ByteBuffer的一个静态方法。通过allocateDirect我们也可以给ByteBuffer分配空间。

allocate 与 allocateDirect的区别在哪？
可以通过代码来看，首先我们通过这两个静态方法创建两个对象。

 public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ByteBuffer.allocate(10).getClass());
        //class java.nio.HeapByteBuffer

        System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(10).getClass());
        //class java.nio.DirectByteBuffer
    }

控制打印的结果是：allocate创建出来的是HeapByteBuffer对象，allocateDirect创建出来的是DirectByteBuffer对象。
那就聊一下HeapByteBuffer和DirectByteBuffer的区别：

HeapByteBuffer是存在于JVM的堆内存中，DirectByteBuffer是存在于直接（系统）内存中。
HeapByteBuffer的读写效率低于DirectByteBuffer，因为HeapByteBuffer存在于jvm中的，自然会收到垃圾回收器的影响。
DirectByteBuffer使用不当，容易造成内存泄露。

2-3.put方法

put方法可以将数据放入到缓冲区中。操作完成后，position的值会+1，并指向下一个可存放的区域，limit=capacity。
在这里插入图片描述

2-4.flip方法

flip方法会切换对当前缓冲区的去操作，写/读->读/写。

当是写模式切换到读模式时，先是limit=position，然后position=0。
当是读模式切换到写模式时，恢复为put时的值。

2-5.get方法

get方法会读取缓冲区里的数据，一次只能读取一个。
读取后，position的值会+1，指向下一个可读区。当position大于limit时，会报异常。
get方法如果传入指定的索引位置：get(i)。则position的值不会产生变动。

2-6.clean方法

clean方法就像初始化一样，会把ByteBuffer的里属性值都恢复到最初，并且清除缓冲区里的数据。
在这里插入图片描述

2-7.compact

compact方法会把已经读取的数据清除，后面未读取的数据向前压缩，然后切换到写模式。
数据前移后，原始位置的数据不会清楚，但是在后面的写入操作中会被覆盖。
在这里插入图片描述

2-8.rewind方法

rewind方法只能在读模式下使用，使用后，会恢复position、limit和capacity的值

在这里插入图片描述

2-9.mark方法和reset方法

这个两个方法通常都是搭配着使用。
mark会保存当前position的值，reset方法会把mark保存的值重新赋给position。

3.字符串与ByteBuffer的相互转换

3-1.方法一

        // 方法一
        // 编码：字符串的getByte方法
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(15);
        buffer.put(str.getBytes());
        // 解码：先切换到读模式，然后通过StandardCharsets的decoder来解码
        buffer.flip();
        String decodeStr = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();

3-2.方法二

        // 方法二
        // 编码：StandardCharsets的encode方法获取ByteBuffer
        ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode(str);
        // 解码： 通过StandardCharsets的decoder方法解码
        String decodeStr2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();

3-3.方法三

        // 方法三：
        ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        // 解码： 通过StandardCharsets的decoder方法解码
        String decodeStr3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer3).toString();