java nio

Posted 2020-09-24 bili111

阻塞IO和非阻塞IO：

阻塞IO:在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样， write()调用将会阻塞直至数据能够写入。换句话说，当你发了一个请求（或方法调用）之后，必须等待，直到程序返回结果，这段期间不能干其他事情。Everything is in sequence，每件事情都是有先后顺序的。

非阻塞IO就是当你发了一个请求之后，不用去管结果何时返回，而是去干其他的事情，当程序返回结果时，会通知你，例如你用全自动洗衣机洗衣服，你不用在旁边等着洗衣机洗完，而是可以去做饭啊上网什么的，当洗衣机洗完衣服之后，会发出“滴滴滴”的通知声音，当你得知这个消息后，就可以去处理它的结果了（例如晾衣服等）。

 

假设某时刻有大量的请求同时到达服务端，如果对每一个连接都创建一个线程去处理该请求，那么连接数越多，创建的线程数就越多，但是一台服务器能够产生的线程数是有限的，这样就限制了它的并发处理能力。In addition,如果来一个请求就创建一个线程，处理完之后又销毁掉，那么频繁的创建、销毁线程会带来巨大的系统开销，所以必须引入线程池，维持一个核心线程数和最大线程数。但是，服务端的并发处理能力依然有限，因为处理能力还是与最大线程数相关。如何解决呢？使用NIO。通过一个selector（只需要开启一个线程）,每一个客户端连接为一个channel,这些channel都注册到selector上，selector进行事件的监听、选择性处理。

 

NIO:non-blocking IO,JDK中自带得有NIO的包（java.nio）;但是通常基于java nio开发的程序有各种问题，至少要半年甚至一年才会慢慢解决掉，所以只需要了解其中的核心概念（ByteBuffer,Channel,Selector）。通道是对 I/O 包中的流的模拟，到任何目的地(或来自任何地方)的所有数据都必须通过一个 Channel 对象。Buffer 实质上是一个容器对象，发送给一个通道的所有对象都必须首先放到缓冲区中；同样地，从通道中读取的任何数据都要读到缓冲区中。

缓冲区实质上是一个数组，最常用的缓冲区类型是 ByteBuffer。一个 ByteBuffer 是在其底层字节数组上进行 get/set 操作。通道与流的不同之处在于通道是双向的。而流只是在一个方向上移动(一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类)， 而 通道 可以用于读、写或者同时用于读写。

从文件中读取(从外面的文件读取进入内存)

如果使用原来的 I/O，那么我们只需创建一个 FileInputStream 并从它那里读取。而在 NIO 中，情况有所不同：

第一步是获取通道。我们从 FileInputStream 获取通道：

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();

下一步是创建缓冲区：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );    //缓冲区分配

最后，需要将数据从通道读到缓冲区中，如下所示：

fc.read( buffer );

 

写入文件（从内存写出到外面的文件）

在 NIO 中写入文件，首先从 FileOutputStream 获取一个通道：

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();

下一步是创建一个缓冲区并在其中放入一些数据

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
     buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();

最后一步是写入到文件中：

fc.write( buffer );

 

现在重点研究一下Buffer中的结构（状态变量：position、limit 、capacity，可以理解为三个指针），通过这三个状态变量，Buffer就可以自动管理里面的数据了。capacity始终为字节数组的长度，当从外界读入数据到Buffer中时，limit指向position的位置，positon初始位置为0，每读入一个字节，position++，但是不会超过capacity的位置。

如果要将Buffer中的数据读出到外界去，则需要调用buffer.flip()方法。flip方法会改变position和limit指针的位置，将positon指向0的位置，将limit指向原先的position的位置，这样一来，读取的时候就只会在[0,limit]范围内了，每读取一个字节，position++，直到到达limit，这样就将buffer中的数据全部读走了。

最后，调用buffer.clear()方法，该方法会重置这三个指针，使得其回到最原始的位置，准备新的读入工作。

如何直接操作Buffer中的数据呢？使用put()、get()方法，put往Buffer中放入字节，get从Buffer中读取字节。

Selector:Selector是一个选择器，每一个Channel都会在Selector上进行注册，并指定Selector对该channel感兴趣的事件（返回值为SelectedKey）。Selector上同时注册得有多个channel,当某个事件发生时，Selector就会通知对应的处理程序进行处理。

我们需要做的第一件事就是创建一个 Selector：

Selector selector = Selector.open();

然后，我们将对各个通道对象调用 register() 方法，以便注册我们对这些对象中发生 I/O 事件的兴趣。register() 的第一个参数总是这个 Selector。为了接收连接，我们需要一个 ServerSocketChannel。对于每一个端口，我们打开一个 ServerSocketChannel，如下所示：

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();    //创建一个新的 ServerSocketChannel 
ssc.configureBlocking( false );   //我们必须对每一个要使用的套接字通道调用这个方法，否则异步 I/O 就不能工作。

ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[i] );
ss.bind( address );    //将它绑定到给定的端口

将新打开的 ServerSocketChannels 注册到 Selector上。为此我们使用 ServerSocketChannel.register() 方法，如下所示：

SelectionKey key = ssc.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );    //返回选择键

register() 的第一个参数总是这个 Selector。第二个参数是 OP_ACCEPT，这里它指定我们想要监听 ACCEPT 事件，也就是在新的连接建立时所发生的事件。请注意对 register() 的调用的返回值，SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。

接着进入主循环。使用 Selectors 的几乎每个程序都像下面这样使用内部循环：

int num = selector.select();    //该方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时， select() 方法将返回所发生的事件的数量

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();   //返回发生了事件的 SelectionKey 对象的集合
Iterator it = selectedKeys.iterator();

while (it.hasNext()) {
     SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
     if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)   //对每个感兴趣事件的处理
          == SelectionKey.OP_ACCEPT) {

         ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();      //
         SocketChannel sc = ssc.accept();              //接受新的连接
         sc.configureBlocking( false );
         SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );         //将SocketChannel又注册一次，用于读取来自套接字的数据
     }
}

我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件。对于每一个 SelectionKey，您必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。

当来自一个套接字的数据到达时，它会触发一个 I/O 事件。这会导致在主循环中调用 Selector.select()，并返回一个或者多个 I/O 事件。这一次， SelectionKey 将被标记为 OP_READ 事件，如下所示：

} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
     == SelectionKey.OP_READ) {
     // Read the data
     SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
     // ...
}

这样Selector就实现了一个线程同时处理多个套接字连接的需求（高并发）。