干货｜精读Netty源码---NIO之Channel

Posted 2021-04-30 牛客NOIP竞赛学

NIO简介

1、概述

Java NIO( New IO 或者 Non Blocking IO ) ，从 Java 1.4 版本开始引入的非阻塞 IO ，用于替换标准( 有些文章也称为传统，或者 Blocking IO 。下文统称为 BIO ) Java IO API 的 IO API 。

2、核心组件

Java NIO由如下三个核心组件组成

Channel

Buffer

Selector

3、NIO和BIO对比

NIO	BIO
基于缓冲区	基于流
非阻塞IO	阻塞IO
选择器	无

BIO 是面向字节流或者字符流的，而在 NIO 中，它摒弃了传统的 IO 流，而是引入 Channel 和 Buffer 的概念：从 Channel 中读取数据到 Buffer 中，或者将数据从 Buffer 中写到 Channel 中。

① 那么什么是基于 Stream呢？

在一般的 Java IO 操作中，我们以流式的方式，顺序的从一个 Stream 中读取一个或者多个字节，直至读取所有字节。因为它没有缓存区，所以我们就不能随意改变读取指针的位置。

② 那么什么是基于 Buffer 呢？

基于 Buffer 就显得有点不同了。我们在从 Channel 中读取数据到 Buffer 中，这样 Buffer 中就有了数据后，我们就可以对这些数据进行操作了。并且不同于一般的 Java IO 操作那样是顺序操作，NIO 中我们可以随意的读取任意位置的数据，这样大大增加了处理过程中的灵活性。

Java NIO 引入 Selector ( 选择器 )的概念，它是 Java NIO 得以实现非阻塞 IO 操作的最最最关键。

我们可以注册多个 Channel 到一个 Selector 中。而 Selector 内部的机制，就可以自动的为我们不断的执行查询操作，判断这些注册的 Channel 是否有已就绪的 IO 事件( 例如可读，可写，网络连接已完成)。

通过这样的机制，一个线程通过使用一个 Selector ，就可以非常简单且高效的来管理多个 Channel 了。

Channel

1、概述

在 Java NIO 中，基本上所有的 IO 操作都是从 Channel 开始。数据可以从 Channel 读取到 Buffer 中，也可以从 Buffer 写到 Channel 中

2、与流的区别

• 对于同一个 Channel ，我们可以从它读取数据，也可以向它写入数据。而对于同一个 Stream ，通常要么只能读，要么只能写

• Channel 可以非阻塞的读写 IO 操作，而 Stream 只能阻塞的读写 IO 操作。
  

• Channel 必须配合 Buffer 使用，总是先读取到一个 Buffer 中，又或者是向一个 Buffer 写入。也就是说，我们无法绕过 Buffer ，直接向 Channel 写入数据。

3、Channel的实现

Channel源码如下：public interface Channel extends Closeable { public boolean isOpen();//判断此通道是否打开    public void close() throws IOException;//关闭通道    Channel比较重要的实现类有以下三个：SocketChannel：客户端发起tcp的ChannelServerSocketChannel:服务端用来监听新的tcp连接的Channel。每个请求都会创建一个对应的SocketChannelDatagramChannelServerSocketChannelJava NIO中的ServerSocketChannel是一个可以监听新进来的TCP连接的通道ServerSocketChannel
通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如：ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();//关闭 ServerSocketChannel//通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如：
serverSocketChannel.close();

监听新进来的连接

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

while(true){ SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); //do something with socketChannel...}

非阻塞模式

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));serverSocketChannel.configureBlocking(false);while(true){ SocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.accept(); if(socketChannel != null){ //do something with socketChannel... }}

SocketChannel

Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel：

1、个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
2、新连接到达ServerSocketChannel时，会创建一个SocketChannel。

打开SocketChannel

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
关闭SocketChannel
socketChannel.close();
从 SocketChannel 读取数据
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。

然后，调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1，表示已经读到了流的末尾（连接关闭了）

写入 SocketChannel

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);buf.clear();buf.put(newData.getBytes());buf.flip();while(buf.hasRemaining()) { channel.write(buf);}

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

非阻塞模式

可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）.设置之后，就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()的方法。

socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));while(! socketChannel.finishConnect() ){ //wait, or do something else...}

DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

打开 DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

接收数据

通过receive()方法从DatagramChannel接收数据

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);buf.clear();channel.receive(buf);

receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。

发送数据

通过send()方法从DatagramChannel发送数据

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);buf.clear();buf.put(newData.getBytes());buf.flip();int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。因为服务端并没有监控这个端口，所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到，因为UDP在数据传送方面没有任何保证。

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

当连接后，也可以使用read()和write()方法，就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。

int bytesRead = channel.read(buf);int bytesWritten = channel.write(but);

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