帶你完全掌握Java NIO（總結分享）
推薦學習：《》
一、Java思維導圖
二、I/O模型
I/O模型的本質是用什麼樣的通道進行資料的傳送和接收，很大程度上決定了程式通訊的效能。
Java共支援三種網路程式設計模型：BIO、NIO、AIO
BIO：同步並阻塞，服務實現模式為一個連線一個執行緒，即使用者端有一個連線請求時，伺服器端就需要啟動一個執行緒進行處理。
NIO： 同步非阻塞，伺服器實現模式為一個執行緒處理多個請求連線，即使用者端傳送的請求都會註冊到多路複用器上，多路複用器輪詢到連線有I/O請求就進行處理。
AIO：非同步非阻塞，AIO引入非同步通道的概念，採用了Proactor模式，簡化了程式編寫，有效的請求才啟動執行緒，它的特點是先由作業系統完成後才通知伺服器端。
三、BIO、NIO、AIO應用場景
BIO方式適用於連線數目比較小且固定的架構，這種方式對伺服器資源要求比較高， 並行侷限於應用中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程式簡單易理解。
NIO方式適用於連線數目多且連線比較短（輕操作）的架構，比如聊天伺服器，彈幕 系統，伺服器間通訊等。程式設計比較複雜，JDK1.4開始支援。
AIO方式使用於連線數目多且連線比較長（重操作）的架構，比如相簿伺服器，充分 呼叫OS參與並行操作，程式設計比較複雜，JDK7開始支援
四、BIO程式設計簡單流程
伺服器端啟動一個ServerSocket；
使用者端啟動Socket對伺服器進行通 信，預設情況下伺服器端需要對每 個客戶 建立一個執行緒與之通訊；
使用者端發出請求後, 先諮詢伺服器 是否有執行緒響應，如果沒有則會等 待，或者被拒絕；
如果有響應，使用者端執行緒會等待請 求結束後，在繼續執行；
五、NIO核心
NIO 有三大核心部分：Selector(選擇器)、Channel(通道)、Buffer(緩衝區)。
NIO是面向緩衝區，或者說面向塊程式設計，資料讀取到一個 它稍後處理的緩衝區，需要時可在緩衝區中前後移動，這就 增加了處理過程中的靈活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網路。
HTTP2.0使用了多路複用的技術，做到同一個連線並行處理多個請求，而且並行請求 的數量比HTTP1.1大了好幾個數量級。
簡而言之，NIO可以一個執行緒處理多個請求。
六、BIO與NIO比較
BIO 以流的方式處理資料,而 NIO 以塊的方式處理資料,塊 I/O 的效率比流 I/O 高很多；
BIO 是阻塞的，NIO 則是非阻塞的；
BIO基於位元組流和字元流進行操作，而 NIO 基於 Channel(通道)和 Buffer(緩衝區)進 行操作，資料總是從通道讀取到緩衝區中，或者從緩衝區寫入到通道中。Selector(選擇器)用於監聽多個通道的事件（比如：連線請求，資料到達等），因 此使用單個執行緒就可以監聽多個使用者端通道。
七、NIO 三大核心原理示意圖
流程圖說明：
Selector 對應一個執行緒， 一個執行緒對應多個channel(連線)；
該圖反應了有三個channel 註冊到 該selector //程式；
每個channel 都會對應一個Buffer；
程式切換到哪個channel 是有事件決定的, Event 就是一個重要的概念；
Selector 會根據不同的事件，在各個通道上切換；
Buffer 就是一個記憶體塊 ， 底層是有一個陣列；
資料的讀取寫入是通過Buffer, 這個和BIO , BIO 中要麼是輸入流，或者是 輸出流, 不能雙向，但是NIO的Buffer 是可以讀也可以寫, 需要 flip 方法切換；
channel 是雙向的, 可以返回底層作業系統的情況, 比如Linux ， 底層的作業系統 通道就是雙向的；
八、緩衝區（buffer）
緩衝區本質上是一個可以讀寫資料的記憶體塊，可以理解成是一個 容器物件(含陣列)，該物件提供了一組方法，可以更輕鬆地使用記憶體塊，，緩衝區對 象內建了一些機制，能夠跟蹤和記錄緩衝區的狀態變化情況。Channel 提供從檔案、 網路讀取資料的渠道，但是讀取或寫入的資料都必須經由 Buffer。
在 NIO 中，Buffer 是一個頂層父類別，它是一個抽象類。
1、常用Buffer子類一覽
ByteBuffer，儲存位元組資料到緩衝區；
ShortBuffer，儲存字串資料到緩衝區；
CharBuffer，儲存字元資料到緩衝區；
IntBuffer，儲存整數資料到緩衝區；
LongBuffer，儲存長整型資料到緩衝區；
DoubleBuffer，儲存小數到緩衝區；
FloatBuffer，儲存小數到緩衝區；
2、buffer四大屬性
mark：標記
position：位置，下一個要被讀或寫的元素的索引， 每次讀寫緩衝區資料時都會改變改值， 為下次讀寫作準備。
limit：表示緩衝區的當前終點，不能對緩衝區 超過極限的位置進行讀寫操作。且極限 是可以修改的
capacity：容量，即可以容納的最巨量資料量；在緩 衝區建立時被設定並且不能改變。
3、buffer常用api
JDK1.4時，引入的api
- public final int capacity( )//返回此緩衝區的容量
- public final int position( )//返回此緩衝區的位置
- public final Buffer position (int newPositio)//設定此緩衝區的位置
- public final int limit( )//返回此緩衝區的限制
- public final Buffer limit (int newLimit)//設定此緩衝區的限制
- public final Buffer mark( )//在此緩衝區的位置設定標記
- public final Buffer reset( )//將此緩衝區的位置重置為以前標記的位置
- public final Buffer clear( )//清除此緩衝區, 即將各個標記恢復到初始狀態，但是資料並沒有真正擦除, 後面操作會覆蓋
- public final Buffer flip( )//反轉此緩衝區
- public final Buffer rewind( )//重繞此緩衝區
- public final int remaining( )//返回當前位置與限制之間的元素數
- public final boolean hasRemaining( )//告知在當前位置和限制之間是否有元素
- public abstract boolean isReadOnly( );//告知此緩衝區是否為唯讀緩衝區
JDK1.6時引入的api
- public abstract boolean hasArray();//告知此緩衝區是否具有可存取的底層實現陣列
- public abstract Object array();//返回此緩衝區的底層實現陣列
- public abstract int arrayOffset();//返回此緩衝區的底層實現陣列中第一個緩衝區元素的偏移量
- public abstract boolean isDirect();//告知此緩衝區是否為直接緩衝區
九、通道（channel）
1、基本介紹
（1）NIO的通道類似於流
- 通道可以同時進行讀寫，而流只能讀或者只能寫；
- 通道可以實現非同步讀寫資料
- 通道可以從緩衝讀資料，也可以寫資料到緩衝
（2）BIO 中的 stream 是單向的，例如 FileInputStream 對 象只能進行讀取資料的操作，而 NIO 中的通道 (Channel)是雙向的，可以讀操作，也可以寫操作。
（3）Channel在NIO中是一個介面
（4）常用的 Channel 類有：FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。ServerSocketChanne 類似 ServerSocket , SocketChannel 類似 Socket。
（5）FileChannel 用於檔案的資料讀寫， DatagramChannel 用於 UDP 的資料讀寫， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用於 TCP 的資料讀寫。
2、FileChannel
FileChannel主要用來對本地檔案進行 IO 操作，常見的方法有：
read，從通道讀取資料並放到緩衝區中
write，把緩衝區的資料寫到通道中
transferFrom，從目標通道 中複製資料到當前通道
transferTo，把資料從當 前通道複製給目標通道
3、關於Buffer 和 Channel的注意事項和細節
ByteBuffer 支援型別化的put 和 get, put 放入的是什麼資料型別，get就應該使用 相應的資料型別來取出，否則可能有 BufferUnderflowException 異常。
可以將一個普通Buffer 轉成唯讀Buffer。
NIO 還提供了 MappedByteBuffer， 可以讓檔案直接在記憶體（堆外的記憶體）中進 行修改， 而如何同步到檔案由NIO 來完成。
NIO 還支援 通過多個 Buffer (即 Buffer 陣列) 完成讀寫操作，即 Scattering 和 Gathering。
十、Selector(選擇器)
1、基本介紹
Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一個執行緒，處理多個的使用者端連 接，就會使用到Selector(選擇器)。
Selector 能夠檢測多個註冊的通道上是否有事件發生，如果有事件發生，便獲取事件然 後針對每個事件進行相應的處理。這樣就可以只用一個單執行緒去管理多個 通道，也就是管理多個連線和請求。
只有在 連線/通道 真正有讀寫事件發生時，才會進行讀寫，就大大地減少 了系統開銷，並且不必為每個連線都建立一個執行緒，不用去維護多個執行緒。
避免了多執行緒之間的上下文切換導致的開銷。
2、selector的相關方法
open();//得到一個選擇器物件
select(long timeout);//監控所有註冊的通道，當其 中有 IO 操作可以進行時，將 對應的 SelectionKey 加入到內部集合中並返回，引數用來 設定超時時間
selectedKeys();//從內部集合中得 到所有的 SelectionKey。
3、注意事項
NIO中的 ServerSocketChannel功能類似ServerSocket，SocketChannel功能類 似Socket。
十一、通過NIO實現簡單的伺服器端使用者端通訊
1、伺服器端
package com.nezha.guor.nio;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.*;import java.util.Iterator;public class NioServer {
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private static final int PORT = 8080;
public NioServer() {
try {
//獲得選擇器
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//繫結埠
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//設定非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//將該ServerSocketChannel 註冊到selector
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
System.out.println("NioServer error:"+e.getMessage());
}
}
public void listen() {
System.out.println("監聽執行緒啟動: " + Thread.currentThread().getName());
try {
while (true) {
int count = selector.select();
if(count > 0) {
//遍歷得到selectionKey集合
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = serverSocketChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上線 ");
}
//通道傳送read事件，即通道是可讀的狀態
if(key.isReadable()) {
getDataFromChannel(key);
}
//當前的key 刪除，防止重複處理
iterator.remove();
}
} else {
System.out.println("等待中");
}
}
}catch (Exception e) {
System.out.println("listen error:"+e.getMessage());
}
}
private void getDataFromChannel(SelectionKey key) {
SocketChannel channel = null;
try {
channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根據count的值做處理
if(count > 0) {
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println("來自使用者端: " + msg);
//向其它的使用者端轉發訊息(排除自己)
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
}catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 離線了");
//取消註冊
key.cancel();
}catch (IOException ex) {
System.out.println("getDataFromChannel error:"+ex.getMessage());
}
}finally {
try {
channel.close();
}catch (IOException ex) {
System.out.println("channel.close() error:"+ex.getMessage());
}
}
}
//轉發訊息給其它客戶(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("伺服器轉發訊息中...");
System.out.println("伺服器轉發資料給使用者端執行緒: " + Thread.currentThread().getName());
//遍歷 所有註冊到selector 上的 SocketChannel,並排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//將資訊儲存到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//將buffer資料寫入通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//建立伺服器物件
NioServer nioServer = new NioServer();
nioServer.listen();
}}2、使用者端
package com.nezha.guor.nio;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.Scanner;public class NioClient {
private final int PORT = 8080; //伺服器埠
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
public NioClient() throws IOException {
selector = Selector.open();
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//設定非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//將channel註冊到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向伺服器傳送訊息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 說：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
System.out.println("sendInfo error:"+e.getMessage());
}
}
//讀取從伺服器端回覆的訊息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相關的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一個Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//讀取
sc.read(buffer);
//把讀到的緩衝區的資料轉成字串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
}
iterator.remove(); //刪除當前的selectionKey, 防止重複操作
} else {
System.out.println("沒有可以用的通道...");
}
}catch (Exception e) {
System.out.println("readInfo error:"+e.getMessage());
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
NioClient nioClient = new NioClient();
new Thread() {
public void run() {
while (true) {
nioClient.readInfo();
try {
Thread.currentThread().sleep(2000);
}catch (InterruptedException e) {
System.out.println("sleep error:"+e.getMessage());
}
}
}
}.start();
//傳送資料給伺服器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
nioClient.sendInfo(scanner.nextLine());
}
}}3、控制檯輸出
推薦學習：《》
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