NIO非阻塞网络编程三大核心理念

最新推荐文章于 2025-04-21 00:31:57 发布

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本文详细介绍了NIO的三大核心组件。Buffer缓冲区本质是可读写的内存块，使用时有特定步骤，有不同内存类型；Channel通道可创建网络连接和读取数据，涵盖多种类型，与标准IO stream操作有区别；Selector选择器能检查通道状态，实现单线程管理多网络连接，基于事件驱动机制。

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NIO三大核心组件：

1. Buffer缓冲区
2. Channel通道
3. Selector选择器

Buffer缓冲区
缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块（类似于数组），然后可以再次读取。此内存块包含在NIO Buffer对象中，改对象提供了一组方法，可以更轻松的使用内存块。
相比较直接对数组的操作，BufferAPI更容易操作和管理
使用Buffer进行数据写入与读取，需要进行如下四个步骤：
1. 将数据写入缓冲器
2. 调用buffer.flip()，转换为读取模式
3. 缓冲区读取数据
4. 调用buffer.clear()或buffer.compact()清除缓冲去。

Buffer工作原理
Buffer三个重要属性

capacity容量：作为一个内存块，buffer具有一定的大小，也成为“容量”。
position位置：写入模式时代表写数据的位置。读取模式时代表读取数据的位置。
limit：写入模式，限制等于buffer容量。读取模式下，limit等于写入的数量。

public static void main(String[] args) {

    // 构建一个byte字节缓冲区，容量是4
    //         ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4);
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(4);
    // 默认写入模式，查看三个重要的指标
    System.out.println(String.format("初始化：capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
            byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));
    // 写入2字节的数据
    byteBuffer.put((byte) 1);
    byteBuffer.put((byte) 2);
    byteBuffer.put((byte) 3);
    // 再看数据
    System.out.println(String.format("写入3字节后，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
            byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));

    // 转换为读取模式(不调用flip方法，也是可以读取数据的，但是position记录读取的位置不对)
    System.out.println("#######开始读取");
    byteBuffer.flip();
    byte a = byteBuffer.get();
    System.out.println(a);
    byte b = byteBuffer.get();
    System.out.println(b);
    System.out.println(String.format("读取2字节数据后，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
            byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));

    // 继续写入3字节，此时读模式下，limit=3，position=2.继续写入只能覆盖写入一条数据
    // clear()方法清除整个缓冲区。compact()方法仅清除已阅读的数据。转为写入模式
    byteBuffer.compact(); // buffer : 1 , 3
    byteBuffer.put((byte) 3);
    byteBuffer.put((byte) 4);
    byteBuffer.put((byte) 5);
    System.out.println(String.format("最终的情况，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
            byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));

    // rewind() 重置position为0
    // mark() 标记position的位置
    // reset() 重置position为上次mark()标记的位置

}

BateBuffer内存类型
ByteBuffer为性能关键型代码提供了直接内存（direct堆外）和非直接内存（heap堆）两种实现
堆外内存获取方式：ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(noBytes);

好处：
1. 进行网络IO或者文件IO时比heapBuffer少一次拷贝。（file/socket----OS memory----jvm heap）GC或移动对象内存，在写file或socket的过程中，JVM的实现中，会先把数据复制到堆外，在进行写入。
2. GC范围之外，降低GC压力，但实现了自动管理。DirectByteBuffer中有一个Cleaner对象（PhantomReference），Cleaner被GC前会执行clean方法，触发DirectByteBuffer中定义的Deallocator

建议：
1. 性能确实客观的时候才去使用；分配给大型、长寿命；（网络传输、文件读写场景）
2. 通过虚拟机参数MaxDirectMemorySize限制大小，防止耗尽整个机器的内存
Channel 通道（通道可以创建网络连接，也可以用来读取数据）
Channel的API涵盖了UDP/TCP网络和文件
1. FileChannel
2. DatagramChannel
3. SocketChannel
4. ServerSocketChannel

和标准IO stream操作的区别：
在一个通道内进行读取和写入，stream通常是单向的（input或output）可以肥阻塞读取和写入通道，通道始终读取或写入缓冲区。

SocketChannel
SocketChannel用于简历TCP网络连接，类似于java.net.Socket。有两种创建SocketChannel形式：

客户端主动发起和服务器的链接
服务端获取的新连接

        // 客户端主动发起连接的方式
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    socketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));
    socketChannel.write(byteBuffer); // 发送请求数据-->向通道中写数据
    int bytesRead = socketChannel.read(byteBuffer); // 读取服务端返回-->读取缓冲区的数据
    socketChannel.close();

write写：write()在尚未写入任何内容时就可能返回了。需要在循环中调用write()。
read读：read()方法可能直接返回而根本读取不到任何数据，根据返回的int值判断读取了多少字节。

ServerSocketChannel
ServerSocketChannel 可以监听新建的TCP连接通道，类似于SocketChannel。

        // 创建网络服务器
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 设置为非阻塞模式
    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));// 绑定端口
    while (true){
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();// 获取新tcp连接通道
        if (socketChannel != null){
            // tcp请求 读取/相应
        }
    }

serverSocketChannel.accept()：如果该通道处于非阻塞模式，那么如果没有挂起的连接，该方法将立即返回null。必须检查返回的SocketChannel是否为null；

Selector 选择器
Selector是一个Java NIO组件，可以检查一个或多个NIO通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。实现单个线程可以管理对个网络连接。
一个线程使用Selector监听多个channel的不同事件：
四个事件分别对应SelectionKey四个常量。
1. Connect 连接（SelectionKey.OP_CONNECT）
2. Accept准备就绪（OP_ACCEPT）
3. Read读取（OP_READ）
4. Write（OP_WRITE）