Java中NIO的示例分析
一、Java思维导图二、I/O模型I/O模型的本质是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。Java共支持三种网络编程模型：BIO、NIO、AIOBIO：同步并阻塞，服务实现模式为一个连接一个线程，即客户端有一个连接请求时，服务端就需要启动一个线程进行处理。NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求连接，即客户端发送的请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。AIO：异步非阻塞，AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简
一、Java思维导图
二、I/O模型
I/O模型的本质是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。
Java共支持三种网络编程模型：BIO、NIO、AIO
BIO：同步并阻塞，服务实现模式为一个连接一个线程，即客户端有一个连接请求时，服务端就需要启动一个线程进行处理。
NIO： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求连接，即客户端发送的请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。
AIO：异步非阻塞，AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端。
三、BIO、NIO、AIO应用场景
BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高， 并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。
NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕 系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分 调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持
四、BIO编程简单流程
五、NIO核心
NIO 有三大核心部分：Selector(选择器)、Channel(通道)、Buffer(缓冲区)。
NIO是面向缓冲区，或者说面向块编程，数据读取到一个 它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就 增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求 的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。
简而言之，NIO可以一个线程处理多个请求。
六、BIO与NIO比较
BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多；
BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的；
BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进 行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因 此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。
七、NIO 三大核心原理示意图
流程图说明：
Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)；
该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序；
每个channel 都会对应一个Buffer；
程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念；
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换；
Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组；
数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流，或者是 输出流, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换；
channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统 通道就是双向的；
八、缓冲区（buffer）
缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个 容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对 象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、 网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。
在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类。
1、常用Buffer子类一览
ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区；
ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区；
CharBuffer，存储字符数据到缓冲区；
IntBuffer，存储整数数据到缓冲区；
LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区；
DoubleBuffer，存储小数到缓冲区；
FloatBuffer，存储小数到缓冲区；
2、buffer四大属性
mark：标记
position：位置，下一个要被读或写的元素的索引， 每次读写缓冲区数据时都会改变改值， 为下次读写作准备。
limit：表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区 超过极限的位置进行读写操作。且极限 是可以修改的
capacity：容量，即可以容纳的最大数据量；在缓 冲区创建时被设定并且不能改变。
3、buffer常用api
JDK1.4时，引入的api
public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量
public final int position( )//返回此缓冲区的位置
public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置
public final int limit( )//返回此缓冲区的限制
public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制
public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记
public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
public final Buffer clear( )//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态，但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
public final Buffer flip( )//反转此缓冲区
public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区
public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数
public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素
public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
JDK1.6时引入的api
public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组
public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
九、通道（channel）
1、基本介绍
（1）NIO的通道类似于流
通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写；
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲
（2）BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对 象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道 (Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。
（3）Channel在NIO中是一个接口
（4）常用的 Channel 类有：FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket。
（5）FileChannel 用于文件的数据读写， DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。
2、FileChannel
FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有：
read，从通道读取数据并放到缓冲区中
write，把缓冲区的数据写到通道中
transferFrom，从目标通道 中复制数据到当前通道
transferTo，把数据从当 前通道复制给目标通道
3、关于Buffer 和 Channel的注意事项和细节
ByteBuffer 支持类型化的put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get就应该使用 相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。
可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer。
NIO 还提供了 MappedByteBuffer， 可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进 行修改， 而如何同步到文件由NIO 来完成。
NIO 还支持 通过多个 Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering。
十、Selector(选择器)
1、基本介绍
Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连 接，就会使用到Selector(选择器)。
Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然 后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个 通道，也就是管理多个连接和请求。
只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少 了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程。
避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
2、selector的相关方法
open();//得到一个选择器对象
select(long timeout);//监控所有注册的通道，当其 中有 IO 操作可以进行时，将 对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来 设置超时时间
selectedKeys();//从内部集合中得 到所有的 SelectionKey。
3、注意事项
NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类 似Socket。
十一、通过NIO实现简单的服务端客户端通信
1、服务端
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 {
//获得选择器
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//设置非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//将该ServerSocketChannel 注册到selector
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
System.out.println("NioServer error:"+e.getMessage());
}
}
public void listen() {
System.out.println("监听线程启动: " + Thread.currentThread().getName());
try {
while (true) {
int count = selector.select();
if(count > 0) {
//遍历得到selectionKey集合
Iterator 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() + " 上线 ");
}
//通道发送read事件，即通道是可读的状态
if(key.isReadable()) {
getDataFromChannel(key);
}
//当前的key 删除，防止重复处理
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);
//根据count的值做处理
if(count > 0) {
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println("来自客户端: " + msg);
//向其它的客户端转发消息(排除自己)
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
}catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了");
//取消注册
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());
}
}
}
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将信息存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer数据写入通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建服务器对象
NioServer nioServer = new NioServer();
nioServer.listen();
}} 2、客户端
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; //服务器端口
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));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 说：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
System.out.println("sendInfo error:"+e.getMessage());
}
}
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {
Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
}
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
} else {
System.out.println("没有可以用的通道...");
}
}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();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
nioClient.sendInfo(scanner.nextLine());
}
}} 3、控制台输出
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