初识Java中的NIO

1.概述

  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/输出新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的。NIO采用内存映射文件的方式来处理输入输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样访问文件。NIO与原来的IO有同样的作用，但是使用的方式完全不同， NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

2.NIO 三大核心原理示意图

  NIO 有三大核心部分：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器)。NIO是面向缓冲区编程。数据读取到一个buffer中(缓冲区)，需要时可在缓冲区内前后移动，增加了处理过程中的灵活性，使用它可提供非阻塞式的伸缩性网络。对于非阻塞式的理解：通俗来说就是一个线程可以处理多个操作。

• 每个 channel 都会对应一个 Buffer；
• Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个 channel(连接)；
• 每个 channel 都注册到 Selector选择器上；
• Selector不断轮询查看Channel上的事件, 根据不同的事件完成不同的操作；
• Buffer 就是一个内存块 ， 底层是一个数组，NIO的Buffer是可以读也是可以写的，channel是双向的。

2.1 缓冲区Buffer

  缓冲区实际上是一个容器对象，底层是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。具体看下面这张图就理解了：

上图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入Buffer中，然后将Buffer中的数据写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。

  在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

注：可以看到除了Boolean 类型外，其它都有对应的Buffer。

Buffer四个成员变量的说明

private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;

一般来说，四个属性的关系应该属于:

​ 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

属性	说明
capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时设置并且不能改变
limit	上限，缓冲区中当前的数据量
position	位置，缓冲区中下一个要被读或写的元素的索引
mark	调用mark()方法来设置mark=position，再调用reset()可以让position恢复到mark标记的位置，即position=mark

由于缓存区是读写共存，所以不同的模式下，这两个变量的值也具有不同的意义。

写模式下，所谓写模式就是将缓存区中的内容写入通道(buffer–>channel)。position 代表下一个字节应该被写出去的字节在缓存区中的位置，limit 表示最后一个待写字节在缓存区的位置。

读模式下，所谓读模式就是从通道读取数据到缓存区(channel–>buffers)。position 代表下一个读出来的字节应当存储在缓存区的位置，limit 等于 capacity。

2.2 通道channel

  Channel和传统IO中的Stream很相似。虽然相似，但是有很大的区别，主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以读，也可以写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写，比如：InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作。但是通道和流一样都是需要基于物理文件的，而每个流或者通道都通过文件指针操作文件，这里说的「通道是双向的」也是有前提的，那就是通道基于随机访问文件『RandomAccessFile』的可读可写文件指针。

  通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

比喻：通常把IO比喻成为水流，管道就是水流的通道；把NIO比喻为火车的轨道，然后缓冲区就是上面的火车。
在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：

  Channel(通道)表示到实体如硬件设备、文件、网络套接字或可以执行一个或多个不同I/O操作的程序组件的开放的连接。所有的Channel都不是通过构造器创建的，而是通过传统的节点InputStream、OutputStream的getChannel方法来返回响应的Channel。

  Channel中最常用的三个类方法就是map、read和write，其中map方法用于将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer，而read或write方法有一系列的重载形式，这些方法用于从Buffer中读取数据或向Buffer中写入数据。

2.3 选择器Selector

  Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的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响应处理。 这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，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，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

  与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，这2个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。

  Selector选择器可以理解为一个IO事件的监听与查询器，通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

什么是IO事件？

表示通道某种IO操作已经就绪或者说已经做好了准备。

例如：如果一个新Channel连接建立成功，就会在Server Socket Channel上发生一个IO事件，代表一个新连接一个准备好，这个IO事件叫做“接收就绪”事件。

NIO定义了四个事件：

• int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16
• int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8
• int OP_READ：代表读操作，值为 1
• in