java之NIO编程
Posted 敲代码的小小酥
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了java之NIO编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
NIO介绍
前面介绍了BIO为阻塞IO,其阻塞表现在两个方面:服务端等待客户端连接时的阻塞以及连接后没有发生数据传输时的阻塞。NIO是非阻塞IO,那么NIO是如何非阻塞的呢？带着这个疑问，开始研究NIO。
NIO有三大组件:Selector 选择器、Channel 管道、buffer 缓冲区。
Channel:
首先理解Channel管道。管道是应用程序与操作系统之间交互事件和传递内容的渠道。管道是应用程序与操作系统直接交互的渠道，应用程序可以从管道中读取操作系统中接收到的数据，也可以向操作系统发送数据。
操作系统接收和发送网络数据，都是在操作系统内开辟了一块儿空间，来缓存接收到的数据或要发送的数据，然后进行网络数据发送。那么Channel就可以理解为Java NIO定义了一个新概念，来接收操作系统内缓存的数据给应用程序，或发送应用程序的数据到操作系统内存中。
Channel需要与具体事件绑定，如读、写、请求连接、接受连接等事件。每个Channel只负责处理一种事件。
在BIO中，我们也没有直接和操作系统打交道呀，也是通过socket来发送数据到操作系统和接收操作系统的数据呀,那为什么要重新定义个Channel概念出来呢?这个在Selector选择器中说明。
Buffer缓冲区:
Channel不直接和应用程序打交道，中间通过Buffer缓冲区来沟通，即应用程序发送数据到Buffer缓冲区，Channel从缓冲区那数据。同时Channel把接收到的数据发给Buffer，应用程序从Buffer中拿数据。这样做的本质还是应用程序无需关注Channel，只需要操作Buffer来发送或获取数据即可。
Selector选择器:
Selector是实现非阻塞的核心。上述Channel需要注册到Selector上，一个Selector可以注册多个Channel，这些Channel里，有负责读操作的，也有负责写操作的等等，当读操作发生阻塞时，Selector切换到写操作的Channel上，当写操作阻塞时，Selector切换到读操作的Channel上，这样就避免了阻塞。如下图所示:
可以看到，在BIO中，一个线程对应一个socket，一个socket对应一个客户端连接。读写都在这个socket上进行，所以会发生阻塞。而在NIO中，一个线程对应一个Selector,一个Selector对应多个Channel，而一个Channel对应一个网络事件。相当于是将网络事件进行了拆分，以此实现了非阻塞效果。
流程图如下所示:
Java NIO相关类介绍
SelectionKey类
每个Channel向Selector注册时，都会创建一个SelectionKey对象，通过SelectionKey对象向Selector注册，且SelectionKey中维护了Channel的事件。Java NIO定义了四种事件，如下图所示:
| 操作类型 | 就绪条件及说明 |
|---|---|
| OP_READ | 当操作系统读缓冲区有数据可读时就绪。并非时刻都有数据可读，所以一般需要注册该操作，仅当有就绪时才发起读操作，有的放矢，避免浪费 CPU。 |
| OP_WRITE | 当操作系统写缓冲区有空闲空间时就绪。一般情况下写缓冲区都有空闲空间，小块数据直接写入即可，没必要注册该操作类型，否则该条件不断就绪浪费 CPU；但如果是写密集型的任务，比如文件下载等，缓冲区很可能满，注册该操作类型就很有必要，同时注意写完后取消注册。 |
| OP_CONNECT | 当 SocketChannel.connect()请求连接成功后就绪。该操作只给客户端使用。 |
| OP_ACCEPT | 当接收到一个客户端连接请求时就绪。该操作只给服务器使用。 |
ServerSocketChannel与SocketChannel
服务端定义Channel使用ServerSocketChannel类，客户端定义Channel使用SocketChannel类。ServerSocketChannel类使用accept()方法返回SocketChannel对象，类似于BIO中的ServerSocket类。
ServerSocketChannel 和 SocketChannel 可以注册自己感兴趣的操作类型，当对应操作类型的就绪条件满足时 OS 会通知 channel，下表描述各种 Channel 允许注册的操作类型，Y 表
示允许注册，N 表示不允许注册。
服务器启动 ServerSocketChannel，关注 OP_ACCEPT 事件，
客户端启动 SocketChannel，连接服务器，关注 OP_CONNECT 事件，
服务器接受连接，启动一个服务器的 SocketChannel，这个 SocketChannel 可以关注
OP_READ、OP_WRITE 事件，一般连接建立后会直接关注 OP_READ 事件，
客户端这边的客户端 SocketChannel 发现连接建立后，可以关注 OP_READ、OP_WRITE
事件，一般是需要客户端需要发送数据了才关注 OP_READ 事件，
连接建立后客户端与服务器端开始相互发送消息（读写），根据实际情况来关注OP_READ、
OP_WRITE 事件。
Buffer类
应用程序发送数据和接收数据，都通过Buffer操作，因此，Buffer是和程序员打交道最多的类。缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存（ 其实就是数组）。
这块内存被包装成 NIO Buffer 对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。
下面看Buffer类几个重要的成员属性:
//作为一个内存块，Buffer 有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写 capacity个 byte、long，char 等类型。一旦 Buffer 满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据
private int capacity;
private int position = 0;
当你写数据到 Buffer 中时，position 表示当前能写的位置。初始的 position 值为 0.当一
个 byte、long 等数据写到 Buffer 后， position 会向前移动到下一个可插入数据的 Buffer 单
元。position 最大可为 capacity – 1.
当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将 Buffer 从写模式切换到读模式，position
会被重置为 0. 当从 Buffer 的 position 处读取数据时，position 向前移动到下一个可读的位置。
private int limit;
在写模式下，Buffer 的 limit 表示你最多能往 Buffer 里写多少数据。 写模式下，limit 等
于 Buffer 的 capacity.
当切换 Buffer 到读模式时， limit 表示你最多能读到多少数据。因此，当切换 Buffer 到
读模式时，limit 会被设置成写模式下的 position 值。换句话说，你能读到之前写入的所有数
据（limit 被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是 position）.
由上述描述可知，Buffer分为读模式和写模式。ByteBuffer子类有如下几种:
Buffer分配:
Buffer分配使用allocate()方法进行分配，可以在jvm堆上申请堆上内存，也可以在操作系统上申请直接内存。
示例如下:
//申请一个capacity为48的字节Buffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
//分配一个可存储 1024 个字符的 CharBuffer
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);
//将字节数组包装成ByteBuffer
ByteBuffer wrap(byte [] array);
//将字节数组一部分包装成ByteBuffer
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)
直接内存:
HeapByteBuffer 与 DirectByteBuffer，在原理上，前者可以看出分配的 buffer 是在 heap区域的，其实真正 flush 到远程的时候会先拷贝到直接内存，再做下一步操作；在 NIO 的框架下，很多框架会采用 DirectByteBuffer 来操作，这样分配的内存不再是在 java heap 上，经过性能测试，可以得到非常快速的网络交互，在大量的网络交互下，一般速度会比HeapByteBuffer 要快速好几倍。
NIO 可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆里面的
DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，
因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。
直接内存申请空间耗费更高的性能，当频繁申请到一定量时尤为明显。直接内存 IO 读写的性能要优于普通的堆内存，在多次读写操作的情况下差异明显。
Buffer写操作API:
写数据到 Buffer 有两种方式:
- 读取 Channel 写到 Buffer
int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer
- 通过 Buffer 的 put()方法写到 Buffer 里
buf.put(127);
put 方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到 Buffer 中。例如， 写到一个
指定的位置，或者把一个字节数组写入到 Buffer。在比如：
put(byte b) 相对写，向 position 的位置写入一个 byte，并将 postion+1，为下次读写
作准备。
读写模式切换:
flip()方法: flip 方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。调用 flip()方法会将 position 设回 0，并将 limit设置成之前 position 的值。
换句话说，position 现在用于标记读的位置，limit 表示之前写进了多少个 byte、char 等
—— 现在能读取多少个 byte、char 等。
Buffer读操作API:
从 Buffer 中读取数据有两种方式：
- 从 Buffer 读取数据写入到 Channel；
- 使用 get()方法从 Buffer 中读取数据。
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
byte aByte = buf.get();
使用 Buffer 读写数据常见步骤：
- 写入数据到 Buffer
- 调用 flip()方法
- 从 Buffer 中读取数据
- 调用 clear()方法或者 compact()方法，准备下一次的写入
当向 buffer 写入数据时，buffer 会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过 flip()
方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到 buffer 的所有数据。
一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空
缓冲区：调用 clear()或 compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清
除已经读过的数据。
Buffer常用方法汇总:
put(int index, byte b):
绝对写，向 byteBuffer 底层的 bytes 中下标为 index 的位置插入byte b，不改变 position 的值。
get(int index):
于绝对读，读取 byteBuffer 底层的 bytes 中下标为 index 的 byte，不改变 position。
rewind():
Buffer.rewind()将 position 设回 0，所以你可以重读 Buffer 中的所有数据。limit 保持不变，仍然表示能从 Buffer 中读取多少个元素（byte、char 等）。
clear()与 compact():
一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。
如果调用的是 clear()方法，position 将被设回 0，limit 被设置成 capacity 的值。换句话Buffer被清空了。Buffer 中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer 里写数据。
如果 Buffer 中有一些未读的数据，调用 clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。
如果 Buffer 中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用 compact()方法。
compact()方法将所有未读的数据拷贝到 Buffer 起始处。然后将 position 设到最后一个未读元素正后面。limit 属性依然像 clear()方法一样，设置成 capacity。现在 Buffer 准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。
mark()与 reset():
通过调用 Buffer.mark()方法，可以标记 Buffer 中的一个特定 position。之后可以通过调用 Buffer.reset()方法恢复到这个 position。
equals()与 compareTo()：
equals()方法满足以下条件，表示两个Buffer相等:
- 有相同的类型（byte、char、int 等）。
- Buffer 中剩余的 byte、char 等的个数相等。
- Buffer 中所有剩余的 byte、char 等都相同。
equals 只是比较 Buffer 的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际
上，它只比较 Buffer 中的剩余元素。
compareTo()方法比较两个 Buffer 的剩余元素(byte、char 等)， 如果满足下列条件，则认为一个 Buffer“小于”另一个 Buffer：
- 第一个不相等的元素小于另一个 Buffer 中对应的元素 。
- 所有元素都相等，但第一个 Buffer 比另一个先耗尽(第一个 Buffer 的元素个数比另一
个少)。
Buffer方法总结
Buffer代码示例
分配堆上内存、直接内存:
public class AllocateBuffer
public static void main(String[] args)
OperatingSystemMXBean osmxb = (OperatingSystemMXBean)
ManagementFactory.getOperatingSystemMXBean();
System.out.println("----------Test allocate--------");
System.out.println("before allocate:"
+ osmxb.getFreePhysicalMemorySize());
/*堆上分配*/
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(200000);
System.out.println("buffer = " + buffer);
System.out.println("after allocate:"
+ osmxb.getFreePhysicalMemorySize());
/* 这部分用的直接内存*/
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(200000);
System.out.println("directBuffer = " + directBuffer);
System.out.println("after direct allocate:"
+ osmxb.getFreePhysicalMemorySize());
System.out.println("----------Test wrap--------");
byte[] bytes = new byte[32];
buffer = ByteBuffer.wrap(bytes);
System.out.println(buffer);
buffer = ByteBuffer.wrap(bytes, 10, 10);
System.out.println(buffer);
Buffer常用方法示例:
public class BufferMethod
public static void main(String[] args)
System.out.println("------Test get and put-------------");
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
buffer.put((byte) 'a')//0
.put((byte) 'b')//1
.put((byte) 'c')//2
.put((byte) 'd')//3
.put((byte) 'e')//4
.put((byte) 'f');//5
System.out.println("before flip()" + buffer);
/* 转换为读取模式*/
buffer.flip();
System.out.println("before get():" + buffer);
System.out.println((char)buffer.get());
System.out.println("after get():" + buffer);
/* position移动两位*/
byte[] dst = new byte[10];
buffer.get(dst, 0, 2);
System.out.println("after get(dst, 0, 2):" + buffer);
System.out.println("dst:" + new String(dst));
/*绝对读写*/
System.out.println("--------Test 绝对读写-------");
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(32);
System.out.println("before put(byte):" + bb);
System.out.println("after put(byte):" + bb.put((byte) 'z'));
/* put(2,(byte) 'c')不改变position的位置*/
bb.put(2, (byte) 'c');
System.out.println("after put(2,(byte) 'c'):" + bb);
System.out.println(new String(bb.array()));
/* get(index)不影响position的值*/
System.out.println((char) buffer.get(2));
System.out.println("after get(index):" + buffer);
System.out.println("--------Test Clear And Compact--------");
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(32);
buffer2.put((byte) 'x');
System.out.println("before clear:" + buffer2);
buffer2.clear();
System.out.println("after clear:" + buffer2);
System.out.println(new String(buffer2.array()));
/*放入4个字节，position移动到下个可写入的位置，也就是4*/
buffer2.put("abcd".getBytes());
System.out.println("before compact:" + buffer2);
buffer2.flip();//将position设回0，并将limit设置成之前position的值*/
System.out.println("after flip:" + buffer2);
/*compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。*/
/* 然后将position设到最后一个未读元素正后面。*/
System.out.println("还有数据未读，个数:" + buffer2.remaining());
buffer2.compact();
System.out.println("after compact:" + buffer2);
System.out.println(new String(buffer2.array()));
System.out.println("--------Test rewind--------");
buffer.clear();
buffer.position(10);/*移动position到10*/
buffer.limit(15);/*限定最大可写入的位置为15*/
System.out.println("before rewind:" + buffer);
buffer.rewind();/*将position设回0*/
System.out.println("before rewind:" + buffer);
System.out.println("--------Test mark AND reset----------");
buffer = ByteBuffer.allocate(20);
System.out.println("buffer = " + buffer);
buffer.clear();
buffer.position(5);/*移动position到5*/
buffer.mark();/*记录当前position的位置*/
buffer.position(10);/*移动position到10*/
System.out.println("before reset:" + buffer);
buffer.reset();/*复位position到记录的地址*/
System.out.println("after reset:" + buffer);
NIO编程
下面通过代码示例，体验NIO实现过程。首先，编写服务端代码:
public class NioserverHandleWriteable implements Runnable
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverChannel;
private volatile boolean started;
/**
* 构造方法
* @param port 指定要监听的端口号
*/
public NioServerHandleWriteable(int port)
try
//创建选择器
selector = Selector.open();
//打开监听通道
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
//如果为 true，则此通道将被置于阻塞模式；
// 如果为 false，则此通道将被置于非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);//开启非阻塞模式
//绑定端口 backlog设为1024
serverChannel.socket()
.bind(new InetSocketAddress(port),1024);
//监听客户端连接请求
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//标记服务器已开启
started = true;
System.out.println("服务器已启动，端口号：" + port);
catch(IOException e)
e.printStackTrace();
System.exit(1);
@Override
public void run()
//循环遍历selector
while(started)
try
//阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext())
key = it.next();
it.remove();
try
handleInput(key);
catch(Exception e)
if(key != null)
key.cancel();
if(key.channel() != null)
key.channel().close();
catch(Throwable t)
t.printStackTrace();
//selector关闭后会自动释放里面管理的资源
if(selector != null)
try
selector.close();
catch (Exception e)
e.printStackTrace();
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException
System.out.println("当前通道的事件："+ key.interestOps());
if(key.isValid())
//处理新接入的请求消息
if(key.isAcceptable())
//获得关心当前事件的channel
ServerSocketChannel ssc = (以上是关于java之NIO编程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章