nio

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本文深入解析Java NIO的核心概念，包括Buffer、Channel、Selector等组件的工作原理及应用场景，并通过实战案例展示NIO在服务器端与客户端的具体实现。

一、nio

1、Buffer

Non-Direct Buffer:内存分配在java堆中使用数组存储
Direct Buffer:通过Unsafe类直接将内存分配在native堆上然后使用mapping进行内存映射减少了一次内存拷贝直接缓存使用Cleaner进行内存回收

buff主要分为直接缓存和内存缓存
直接换成使用native层内存减少了一次内存拷贝提高效率
内存缓存使用byte数组进行存储

1.1、主要类

Buffer 覆盖了能从 IO 中传输的所有的 Java 基本数据类型.
主要有ByteBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer、CharBuffer

主要类中有一些子类

类名	说明
HeapXXBuffer	将内存分配在java堆上(即数组)
DirectXXBuffer	使用unsafe分配native堆内存
XXBufferR	只读缓存
XXBufferB	使用ByteBuffer存储以大端格式
XXBufferL	使用ByteBuffer存储以小端格式
XXBufferU/XXBufferS	内存是否页对齐区分大小端格式

参考:
https://www.jianshu.com/p/1ae227e6af61

1.2、主要参数

参数	说明
capacity	内存的容量
position	读写操作的位置索引(自动更新)
limit	剩余可读/写的上限
mark	临时存放position的位置如果比position大则丢弃使用reset()恢复
clear()	清空缓冲区
flip()	缓冲区转换为读模式
rewind()	重置position为0
mark()/ reset()
wrap()	将数组封装为Buffer

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

2、Channel

持有文件描述符根据具体平台实现具体的网络、文件native层的操作

3、Selector

selector操作epoll_create/epoll_select方法

4、SelectionKey

一个抽象类,表示selectableChannel在Selector中注册的标识.每个Channel向Selector注册时,都将会创建一个selectionKey
选择键将Channel与Selector建立了关系,并维护了channel事件.
可以通过cancel方法取消键,取消的键不会立即从selector中移除,而是添加到cancelledKeys中,在下一次select操作时移除它.所以在调用某个key时,需要使用isValid进行校验.

SelectionKey.attach可以存储一个对象在就绪返回时使用
判断事件是否就绪也可以通过boolean selectionKey.isAcceptable（）

https://www.jianshu.com/p/d33f2f6cdba0?utm_campaign=maleskine&utm_content=note&utm_medium=seo_notes&utm_source=recommendation

5、Scatter/Gather

Gather:从多个缓冲区将数据按顺序发送到通道中
Scatter:将多个通道中的数据按顺序写到一个缓冲区中

6、Pipe

一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取

类似Linux中进程间的管道 nio中的Pipe用于线程间的数据传输
在单个线程中读写会造成死锁

三、源码分析

https://segmentfault.com/a/1190000017798684?utm_source=tag-newest

Linux平台的nio基于epoll
channel持有文件描述符
selector操作epoll_create/epoll_select方法通过SelectionKey获取相关文件描述符的读写标记进行相应操作

四、demo

server

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
 
/**
 * server端实例代码
 *
 * @author yihonglei
 */
public class NIOServer {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
 
        // 创建通道ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
 
        // 将ServerSocketChannel对应的ServerSocket绑定到指定端口(port)
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8989));
 
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_ACCEPT事件
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 
        // 循环处理
        while (true) {
            // 当注册事件到达时，方法返回，否则该方法会一直阻塞
            selector.select();
 
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
 
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
 
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
 
                // 检查是否是一个就绪的可以被接受的客户端请求连接
                if (key.isAcceptable()) {
                    handleAccept(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
 
            }
 
 
        }
    }
 
    /**
     * 处理客户端连接成功事件
     */
    private static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取客户端连接通道
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = server.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
 
        // 信息通过通道发送给客户端
        String msg = "Hello Client!";
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
 
        // 给通道设置读事件，客户端监听到读事件后，进行读取操作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
 
    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
 
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
 
        // 输出客户端发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("server received msg from client：" + msg);
    }
}

client

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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
 
/**
 * client实例代码
 *
 * @author yihonglei
 */
public class NIOClient {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
 
        // 创建通道SocketChannel
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
 
        // 客户端连接服务器，其实方法执行并没有实现连接，需要在handleConnect方法中调channel.finishConnect()才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8989));
 
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_CONNECT
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
 
        // 循环处理
        while (true) {
            /*
             * 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中，客户端的该方法不会阻塞，
             * selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的
             * 这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时。
             */
            selector.select();
 
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
 
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
 
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
 
                // 检查是否是一个就绪的已经连接服务端成功事件
                if (key.isConnectable()) {
                    handleConnect(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
 
            }
        }
    }
 
    /**
     * 处理客户端连接服务端成功事件
     */
    private static void handleConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取与服务端建立连接的通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        if (channel.isConnectionPending()) {
            // channel.finishConnect()才能完成连接
            channel.finishConnect();
        }
 
        channel.configureBlocking(false);
 
        // 数据写入通道
        String msg = "Hello Server!";
        channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
 
        // 通道注册到选择器，并且这个通道只对读事件感兴趣
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
 
    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
 
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
 
        // 输出服务端响应发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("client received msg from server：" + msg);
    }
}