JAVA NIO 学习分析（选择器，通道，buffer）_nio 可以同时注册读写吗-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_45819165/article/details/119709609

Java NIO 基本介绍

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 NewIO），是同步非阻塞的。
NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。【基本案例】
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，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，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式的高伸缩性网络。
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，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，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。【后面有案例说明】
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。
HTTP 2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP 1.1 大了好几个数量级。

NIO 三大核心原理示意图

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）。
该图反应了有三个 Channel 注册到该 Selector //程序
程序切换到哪个 Channel 是由事件决定的，Event 就是一个重要的概念。
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。
Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组。
数据的读取写入是通过 Buffer，这个和 BIO，BIO 中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写，需要 flip 方法切换 Channel 是双向的，可以返回底层操作系统的情况，比如 Linux，底层的操作系统通道就是双向的。

缓冲区（Buffer）

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象（含数组），该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，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 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer，如图:【后面举例说明】

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：

Buffer 类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息：

ByteBuffer

从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型（boolean 除外），都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是 ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下：

通道（Channel）

NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：
- 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
- 通道可以实现异步读写数据
- 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:
BIO 中的 Stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道（Channel）是双向的，可以读操作，也可以写操作。
Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
常用的 Channel 类有：**FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel**。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket、SocketChannel 类似 Socket】
FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和

FileChannel 类

FileChannel 主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

public int read(ByteBuffer dst)，从通道读取数据并放到缓冲区中
public int write(ByteBuffer src)，把缓冲区的数据写到通道中
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

1. ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get，put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常

2 。可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer

//得到一个只读的

Buffer ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer(); System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

//读取 while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) { System.out.println(readOnlyBuffer.get()); } readOnlyBuffer.put((byte) 100);

3 、NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，而如何同步到文件由 NIO 来完成

4、NIO 还支持通过多个 Buffer（即 Buffer数组）完成读写操作

Selector（选择器）

Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector（选择器）。
Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生（注意：多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector），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。【示意图】
只有在连接/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。

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector（选择器，也叫多路复用器），可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

Selector 类相关方法

注意事项

NIO 中的 ServerSocketChannel 功能类似 ServerSocket、SocketChannel 功能类似 Socket。
Selector 相关方法说明
- selector.select(); //阻塞
- selector.select(1000); //阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回
- selector.wakeup(); //唤醒 selector
- selector.selectNow(); //不阻塞，立马返还

NIO 非阻塞网络编程原理分析图

NIO 非阻塞网络编程相关的（Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel 和 SocketChannel）关系梳理图

对上图的说明：

当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel。
Selector 进行监听 select 方法，返回有事件发生的通道的个数。
将 socketChannel 注册到 Selector 上，register(Selector sel, int ops)，一个 Selector 上可以注册多个 SocketChannel。
注册后返回一个 SelectionKey，会和该 Selector 关联（集合）。
进一步得到各个 SelectionKey（有事件发生）。
在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel，方法 channel()。
可以通过得到的 channel，完成业务处理。

SelectionKey

SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系，共四种：
- 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
- int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接
相关方法如下

SocketChannel

SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。
相关方法如下

NIO 与零拷贝

零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。
在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap（内存映射）和 sendFile。那么，他们在 OS 里，到底是怎么样的一个的设计？我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝
另外我们看下 NIO 中如何使用零拷贝

传统 IO 数据读写

Java 传统 IO 和网络编程的一段代码

File file = new File("test.txt");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");

byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);

Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);Copy to clipboardErrorCopied