Java-NIO 开篇（1）-编程知识

NIO简介

高性能的Java通信，离不开Java NIO组件，现在主流的技术框架或中间件服务器，都使用了Java NIO组件，譬如Tomcat、 Jetty、 Netty、Redis、RabbitMQ等的网络通信模块。在1.4版本之前， Java IO类库是阻塞式IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为Java NIO。称“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。总体上说， NIO弥补了原来面向流的OIO同步阻塞的不足，它为标准Java代码提供了高速的、面向缓冲区的IO。学习NIO最主要的要理解Channel（通道）、Selector（选择器）、Buffer（缓冲区）三个核心组件。

在Java中， NIO和OIO的区别，主要体现在三个方面:

OIO是面向流（Stream Oriented）的， NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。

如何理解呢？非常简单，假设两个计算机的进程建立了通信，OIO的 read() 操作总是以输入流式的方式顺序地读取读取一个或多个字节，期间要么读要么不读，不能随意乱序读取。而写数据也只能往输出流写入数据。输入流和输出流是单向数据传输的。而NIO引入了Channel（通道）和Buffer（缓冲区）的概念。面向缓冲区的读取和写入，都是与Buffer进行交互。用户程序只需要从通道中读取数据到缓冲区中，或将数据从缓冲区中写入到通道中。 NIO不像OIO那样是顺序操作，可以随意地读取Buffer中任意位置的数据，可以随意修改Buffer中任意位置的数据。如下图所示，通道处于应用层，所有的通信都需要经过Channel通道：
OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。

OIO阻塞： 当线程执行到read()和write()和连接服务器时的方法期间，如果没有对应的IO事件发生（客户端发送了连接请求、客户端发数据过来了）则一直在这些代码处等待，期间不做任何事情，线程挂起阻塞。直到发生了相应的IO事件才继续往下执行。并且如果还有其他的客户端触发了不是导致阻塞的IO事件也可能被阻塞。假设有两个客户端A和B，服务器伪代码如下所示，当没有客户端建立连接时则下面代码阻塞在第2行，假设此时A请求连接，那么下面代码就执行第2行然后阻塞在第3行。此时B也请求建立连接，这时候B是无法连接的，因为服务器代码阻塞在第3行。如果此时A发送了一个消息，那么下面程序继续执行，获取到A发生过来的消息msg。程序继续执行到第2行，如果因为B还在请求，直到这个时候B才能连接上服务器程序。这个例子就是OIO阻塞。
```
// OIO阻塞伪代码，先建立连接在读取客户端发来的数据的代码
1  while(true){
2  	 sc = ssc.accept() // 接受客户端连接，阻塞方法
3    msg = sc.read() // 读取客户端发送过来的数据，阻塞方法
4  }
```
NIO非阻塞： NIO的非阻塞实现方法是IO多路复用技术，通过selector来监测事件，如果没有事件发生则进行阻塞，如果有IO事件发生则获取到对应的事件处理对应的事件即可。首先A、B客户端没有连接时，下面程序执行到第2行进行阻塞，因为没有IO事件发生，如果此时A发起了连接则程序执行到第5行代码建立连接，如果此时B突然也请求连接，下面代码因为没有被阻塞经过10纳秒左右就能运行到第2行代码，然后发现B客户的请求连接事件，于是继续往下执行，同样执行到第5行代码。如果B请求连接的同时A突然发生了消息呢？那么没关系，events中有两个事件，通过for循环都能处理，A的消息发生请求会在第7行代码处理掉。下面的代码只是NIO的伪代码，实际上用法有一点点语法上的区别，逻辑是这样的。可以看见NIO是不会阻塞其他客户端的事件的，一般阻塞指的是较长时间的等待，例如1秒或者以上，下面也是单线程的服务器代码。如果你非要说10纳秒也是阻塞，那么下面的代码也确实无法0秒响应，实际上世界上也不存在这样的代码。什么是阻塞，我相信你已经有了自己的认知了！
```
// NIO非阻塞伪代码，先建立连接在读取客户端发来的数据的代码
1 while(true){
2    events = selector.select() // 没有事件线程阻塞，有事件则接着往下运行
3    for(E e : event){
4        if(e是请求事件){
5            e.connect();
6        }else if (e是读事件){
7            msg = e.read();
8        }....
9    }
10 }
```
OIO没有选择器（ Selector）概念，而NIO有选择器的概念。

NIO技术的实现，是基于底层的IO多路复用技术实现的，比如在Windows中需要select多路复用组件的支持，在Linux系统中需要select/poll/epoll多路复用组件的支持。所以NIO的需要底层操作系统提供支持。而OIO不需要用到选择器selector，相信上面的NIO伪代码让你见识到了selector的威力！

到这里，你已经基本直到了NIO有多么牛了吧，但是还不够，前辈们的核心思想学习还刚刚开始，接下来需要学习非常核心的NIO类库的三大组件：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。

Channel（通道）

Channel的角色和OIO中的Stream(流)是差不多的。在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（ Input Stream），另一个输出流（Output Stream）， Java应用程序通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。在NIO中，一个网络连接使用一个Channel（通道）表示，所有的NIO的IO操作都是通过连接通道完成的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据。Channel和Stream的一个显著的不同是： Stream是单向的，譬如InputStream是单向的只读流， OutputStream是单向的只写流；而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。如下图所示：

在这里插入图片描述

NIO中的Channel的主要实现有：

FileChannel 用于文件IO操作
DatagramChannel 用于UDP的IO操作
SocketChannel 用于TCP的传输操作
ServerSocketChannel 用于TCP连接监听操作

Selector（选择器）

首先回顾一下IO多路复用，指的是一个进程/线程可以同时监视多个socket连接，一旦其中的一个或者多个连接可读或者可写，该监听进程/线程能够进行IO事件的查询。在Java应用层面，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事件呢？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连接建立成功了，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。再例如，一个Channel通道如果有数据可读，就会发生一个IO事件，代表该连接数据已经准备好，这个IO事件叫做 ―“读就绪”事件。Java NIO将NIO事件进行了简化，只定义了四个事件，这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

Selector本质就是去查询这些IO就绪事件的，从编程实现维度来说， IO多路复用编程的第一步，是把通道Channel注册到选择器中，第二步则是通过选择器Selector所提供的事件查询（select）方法，这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。由于一个选择器只需要一个线程进行监控，所以，我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个连接通道。与OIO相比， NIO使用选择器的最大优势：系统开销小，系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而大大减小了系统的开销。总之，通过Java NIO可以达到一个线程负责多个连接通道的IO处理，这是非常高效的。这种高效，恰恰就来自于Java的选择器组件Selector以及其底层的操作系统IO多路复用技术的支持。

缓冲区（Buffer）

应用程序通过缓冲区与通道建立数据读写交互，Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。 Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图所示：

在这里插入图片描述

所谓通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；所谓通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道中。缓冲区的使用，是面向流进行读写操作的OIO所没有的，也是NIO非阻塞的重要前提。Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型，在NIO中有8种缓冲区类，分别如下： ByteBuffer、 CharBuffer、 DoubleBuffer、 FloatBuffer、 IntBuffer、 LongBuffer、 ShortBuffer、MappedByteBuffer。不同的Buffer子类，其能操作的数据类型能够通过名称进行判断，比如IntBuffer只能操作Integer类型的对象。最常用的是ByteBuffer。如ByteBuffer子类就拥有一个byte[]类型的数组成员final byte[] hb，作为自己的读写缓冲区，数组的元素类型与Buffer子类的操作类型相互对应。那么在接下来的博文中将介绍Buffer具体的用法。