RPC框架设计(二)-NIO编程

2.NIO编程

2.1 NIO介绍

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/输出的新特性，被统称为NIO（即 New IO），是同步非阻塞的。
1.NIO有三大核心部分：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器)
2.NIO是面向缓冲区编程的。数据读取到一个缓冲区中，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞时的高伸缩性风格
3.Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是他仅能得到目前可用的数据，如果目前没有可用数据时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据表的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入， 这个线程同时可以去做别的事情。通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况，可以分配50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个

2.2 NIO和BIO的比较

1.BIO以流的方式处理数据，而NIO以缓冲区的方式处理数据，缓冲区I/O的效率比流I/O高很多
2.BIO是阻塞的，NIO则是非阻塞的
3.BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel(通道)和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件(比如：连接请求，数据到达等)，因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

2.3 NIO三大核心原理示意图

一张图描述NIO的Selector、Channel和Buffer的关系

1.每个channel都会对应一个Buffer
2.Selector对应一个线程，一个线程对应多个Channel(连接)
3.每个Channel都注册到Selector选择器上
4.Selector不断轮询查看Channel上的事件，事件是通道Channel非常重要的概念
5.Selector会根据不同事件完成不同的处理操作
6.Buffer就是一个内存块，底层是有一个数组
7.数据的读取写入是通过Buffer，这个和BIO，BIO中要么是输入流，要么是输出流，不能双向，但是NIO的Buffer是可以读也可以写，Channel是双向的

2.4 缓冲区(Buffer)

2.4.1 基本介绍

缓冲区(Buffer)：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个数组，该对象提供了一组方法，可以更轻松的使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel提供从网络读取数据的通道，但是读取或写入数据都必须经由Buffer

2.4.2 Buffer常用API介绍

1.Buffer类及其子类

在NIO中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类，类的层级关系图，常用的缓冲区分别对应double，float，long，int，byte，short，char7种。
2.缓冲区对象创建

方法名	说明
static ByteBuffer allocate(长度)	创建byte类型的指定长度的缓冲区
static ByteBuffer wrap(byte[] array)	创建一个有内容的byte类型缓冲区

示例代码：

package com.lagou.niotest.buffer;

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * Buffer的创建
 */
public class CreateBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建指定长度的缓冲区  ByteBuffer为例
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(allocate.get());//从缓冲区当中拿去数据
        }
        //会报错. 后续讲解
        //System.out.println(allocate.get());//从缓冲区当中拿去数据

        //2.创建一个有内容的缓冲区
        ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap("lagou".getBytes());
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(wrap.get());
        }
    }
}

3.缓冲区对象添加数据

方法名	说明
int position()/position(int newPosition)	获得当前要操作的索引/修改当前要操作的索引位置
int limit()/limit(int newLimit)	最多能操作到哪个索引/修改最多能操作的索引位置
int capacity()	返回缓冲区的总长度
int remaining()/boolean hasRemaining()	还有多少能操作索引个数/是否还有能操作
put(byte b)/put(byte[] src)	添加一个字节/添加字节数组

图解:

示例代码:

package com.lagou.niotest.buffer;

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 向缓冲区中添加数据
 */
public class PutBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建一个缓冲区
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println(allocate.position());//0 获取当前索引所在位置
        System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
        System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println(allocate.remaining());//10 还有多少个可以操作的个数

        System.out.println("----------------");
        // 修改当前索引所在位置
        //allocate.position(1);
        // 修改最多能操作到哪个索引的位置
        //allocate.limit(9);
        // System.out.println(allocate.position());//1 获取当前索引所在位置
        //System.out.println(allocate.limit());//9 最多能操作到哪个索引位置
        //System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        //System.out.println(allocate.remaining());//8 还有多少个可以操作的个数

        // 添加一个字节
        allocate.put((byte) 97);
        System.out.println(allocate.position());//1 获取当前索引所在位置
        System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
        System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println(allocate.remaining());//9 还有多少个可以操作的个数

        System.out.println("----------------");
        // 添加一个数组
        allocate.put("abc".getBytes());
        System.out.println(allocate.position());//4 获取当前索引所在位置
        System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
        System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println(allocate.remaining());//6 还有多少个可以操作的个数
        System.out.println("----------------");
        // 添加一个数组
        allocate.put("123456".getBytes());
        System.out.println(allocate.position());//10 获取当前索引所在位置
        System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
        System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println(allocate.remaining());//0 还有多少个可以操作的个数
        System.out.println(allocate.hasRemaining());//false 是否还能操作
        System.out.println("----------------");
        //如果缓冲区满了. 可以调整position位置, 就可以重复写. 会覆盖之前存入索引位置的值
        allocate.position(0);
        allocate.put("123456".getBytes());
        System.out.println(allocate.position());//6 获取当前索引所在位置
        System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
        System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
        System.out.println(allocate.remaining());//4 还有多少个可以操作的个数
        System.out.println(allocate.hasRemaining());//true 是否还能操作

    }
}

4.缓冲区对象读取数据

方法名	介绍
flip()	写切换读模式 limit设置position位置, position设置0
get()	读一个字节
get(byte[] dst)	读多个字节
get(int index)	读指定索引的字节
rewind()	将position设置为0，可以重复读
clear()	切换写模式 position设置为0 , limit 设置为 capacity
array()	将缓冲区转换成字节数组返回

图解:flip()方法

图解:clear()方法

实例代码:

package com.lagou.niotest.buffer;

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 从缓冲区中读取数据
 */
public class GetBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建一个指定长度的缓冲区
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
        allocate.put("0123".getBytes());
        System.out.println("position:" + allocate.position());//4
        System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10
        System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
        System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6

        //切换读模式
        System.out.println("读取数据--------------");
        allocate.flip();
        System.out.println("position:" + allocate.position());//4
        System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10
        System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
        System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6
        for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
            System.out.println(allocate.get());
        }
        //读取完毕后.继续读取会报错,超过limit值
        //System.out.println(allocate.get());
        //读取指定索引字节
        System.out.println("读取指定索引字节--------------");
        System.out.println(allocate.get(1));

        System.out.println("读取多个字节--------------");
        // 重复读取
        allocate.rewind();
        byte[] bytes = new byte[4];
        allocate.get(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));

        // 将缓冲区转化字节数组返回
        System.out.println("将缓冲区转化字节数组返回--------------");
        byte[] array = allocate.array();
        System.out.println(new String(array));

        // 切换写模式,覆盖之前索引所在位置的值
        System.out.println("写模式--------------");
        allocate.clear();
        allocate.put("abc".getBytes());
        System.out.println(new String(allocate.array()));

    }
}

注意事项:

1.capacity：容量(长度) limit：界限（最多能读/写到哪里） posiiton：位置（读/写哪的索引）
2.获取缓冲区里面数据之前，需要调用flip方法
3.再次写数据之前，需要调用clear方法，但是数据还未消失，等再次写入数据，被覆盖了才会消失。

2.5 通道(Channel)

2.5.1 基本介绍

通常来说NIO中的所有IO都是从Channel（通道）开始的。NIO的通道类似于流，但有些区别如下：
1.通道可以读可以写，流一般来说只是单向的
2.通道可以异步读取
3.通道总是基于缓冲区Buffer来读写

2.5.2 Channel常用类介绍

1.Channel接口
常用的Channel实现类有：FileChannel , DatagramChannel ,ServerSocketChannel和SocketChannel 。FileChannel 用于文件的数据读写， DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写， ServerSocketChannel 和SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。【ServerSocketChanne类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

2.SocketChannel 与ServerSocketChannel
类似 Socke和ServerSocket,可以完成客户端与服务端数据的通信工作.

2.5.3 ServerSocketChannel

服务端实现步骤:
1.打开一个服务端通道
2.绑定对应的端口号
3.通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
4.检查是否有客户端连接，有客户端连接会返回对应的通道
5.获取客户端传递过来的数据，并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
6.给客户端写会数据
7.释放资源
代码实现：

package com.lagou.niotest.channel;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * 服务端
 */
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        //1. 打开一个服务端通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //2. 绑定对应的端口号
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        //3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务端启动成功....");
        while (true) {
            //4. 检查是否有客户端连接 有客户端连接会返回对应的通道
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel == null) {
                System.out.println("没有客户端连接...我去做别的事情");
                Thread.sleep(2000);
                continue;
            }
            //5. 获取客户端传递过来的数据,并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
            ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
            //返回值
            //正数: 表示本地读到有效字节数
            //0: 表示本次没有读到数据
            //-1: 表示读到末尾
            int read = socketChannel.read(allocate);
            System.out.println("客户端消息:" + new String(allocate.array(), 0,
                    read, StandardCharsets.UTF_8));
            //6. 给客户端回写数据
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("没钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
            //7. 释放资源
            socketChannel.close();
        }
    }
}

2.5.4 SocketChannel

实现步骤
1.打开通道
2.设置连接IP和端口号
3.写出数据
4.读取服务器写会的数据
5.释放资源
代码实现：

package com.lagou.niotest.channel;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * 客户端
 */
public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1. 打开通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //2. 设置连接IP和端口号
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
        //3. 写出数据
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("老板.还钱吧!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        //4. 读取服务器写回的数据
        ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
        int read = socketChannel.read(allocate);
        System.out.println("服务端消息:" +
                new String(allocate.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
        //5. 释放资源
        socketChannel.close();
    }
}

2.6 Selector(选择器)

2.6.1 基本介绍

可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到NIO的Selector(选择器)。Selector能够检测多个注册的服务端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处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。

在这种没有选择器的情况下,对应每个连接对应一个处理线程. 但是连接并不能马上就会发送信息,所以还会产生资源浪费

只有在通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，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, 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

2.6.2 常用API介绍

1.Selector类是一个抽象类

常用方法：
Selector.open()：//得到一个选择器对象
Selector.select()：//阻塞 监控所有注册的通道，当有对应的事件操作时，会将SelectionKey放入集合内部并返回事件数量
Selector.select(1000)：//阻塞1000毫秒，监控所有注册的通道，当有对应的事件操作时，会将SelectionKey放入集合内部并返回
Selector.selectKeys()：//返回存有SelectionKey的集合
2.SelectionKey

常用方法：
SelectionKey.isAcceptable(): 是否是连接继续事件
SelectionKey.isConnectable(): 是否是连接就绪事件
SelectionKey.isReadable(): 是否是读就绪事件
SelectionKey.isWritable(): 是否是写就绪事件
SelectionKey中定义的4种事件：
SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户端与服务器的连接已经建立成功
SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）

2.6.3 Selector编码

服务端实现步骤:

1. 打开一个服务端通道
2. 绑定对应的端口号
3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
4. 创建选择器
5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
6. 检查选择器是否有事件
7. 获取事件集合
8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
11. 得到客户端通道,读取数据到缓冲区
12. 给客户端回写数据
13. 从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理.

代码实现:

package com.lagou.niotest.selector;

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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * 服务端-选择器
 */
public class NIOSelectorServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1. 打开一个服务端通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //2. 绑定对应的端口号
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        //3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //4. 创建选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务端启动成功.....");
        while (true) {
            //6. 检查选择器是否有事件
            int select = selector.select(2000);
            if (select == 0) {
                System.out.println("没有事件发生....");
                continue;
            }
            //7. 获取事件集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                //8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()) {
                    //9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("有客户端连接.....");
                    //将通道必须设置成非阻塞的状态.因为selector选择器需要轮询监听每个通道的事件
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //指定监听事件为OP_READ 读就绪事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                //10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
                if (key.isReadable()) {
                    //11.得到客户端通道,读取数据到缓冲区
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int read = socketChannel.read(allocate);
                    if (read > 0) {
                        System.out.println("客户端消息:" + new String(allocate.array(), 0, read
                                , StandardCharsets.UTF_8));
                        //12. 给客户端回写数据
                        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("没钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //13. 从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理.
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}