NIO（Non-blocking I/O，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。
让我们先回忆一下传统的服务器端同步阻塞I/O处理（也就是BIO，Blocking I/O）的经典编程模型：
{
ExecutorService executor = Excutors.newFixedThreadPollExecutor(100);//线程池
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(8088);
while(!Thread.currentThread.isInturrupted()){//主线程死循环等待新连接到来
Socket socket = serverSocket.accept();
executor.submit(new ConnectIOnHandler(socket));//为新的连接创建新的线程
}
class ConnectIOnHandler extends Thread{
private Socket socket;
public ConnectIOnHandler(Socket socket){
this.socket = socket;
}
public void run(){
while(!Thread.currentThread.isInturrupted()&&!socket.isClosed()){死循环处理读写事件
String someThing = socket.read()....//读取数据
if(someThing!=null){
......//处理数据
socket.write()....//写数据
}
}
}
}这是一个经典的每连接每线程的模型，之所以使用多线程，主要原因在于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的，当一个连接在处理I/O的时候，系统是阻塞的，如果是单线程的话必然就挂死在那里；但CPU是被释放出来的，开启多线程，就可以让CPU去处理更多的事情。其实这也是所有使用多线程的本质： 1. 利用多核。 2. 当I/O阻塞系统，但CPU空闲的时候，可以利用多线程使用CPU资源。
现在的多线程一般都使用线程池，可以让线程的创建和回收成本相对较低。在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。
不过，这个模型最本质的问题在于，严重依赖于线程。但线程是很”贵”的资源，主要表现在： 1. 线程的创建和销毁成本很高，在Linux这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数。 2. 线程本身占用较大内存，像Java的线程栈，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。 3. 线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高（超过20%以上)，导致系统几乎陷入不可用的状态。 4. 容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。
所以，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的。随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行，百万级长连接日趋普遍，此时，必然需要一种更高效的I/O处理模型。
很多刚接触NIO的人，第一眼看到的就是Java相对晦涩的API，比如：Channel，Selector，Socket什么的；然后就是一坨上百行的代码来演示NIO的服务端Demo……瞬间头大有没有？
我们不管这些，抛开现象看本质，先分析下NIO是怎么工作的。
所有的系统I/O都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。
需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的，是在“空等”；而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的，真正在”干活”，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。
以socket.read()为例子：
传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。
对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。
最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。
换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心”我可以读了”，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。
NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的（消耗CPU但性能非常高）。
如何结合事件模型使用NIO同步非阻塞特性
回忆BIO模型，之所以需要多线程，是因为在进行I/O操作的时候，一是没有办法知道到底能不能写、能不能读，只能”傻等”，即使通过各种估算，算出来操作系统没有能力进行读写，也没法在socket.read()和socket.write()函数中返回，这两个函数无法进行有效的中断。所以除了多开线程另起炉灶，没有好的办法利用CPU。
NIO的读写函数可以立刻返回，这就给了我们不开线程利用CPU的最好机会：如果一个连接不能读写（socket.read()返回0或者socket.write()返回0），我们可以把这件事记下来，记录的方式通常是在Selector上注册标记位，然后切换到其它就绪的连接（channel）继续进行读写。
下面具体看下如何利用事件模型单线程处理所有I/O请求：
NIO的主要事件有几个：读就绪、写就绪、有新连接到来。
我们首先需要注册当这几个事件到来的时候所对应的处理器。然后在合适的时机告诉事件选择器：我对这个事件感兴趣。对于写操作，就是写不出去的时候对写事件感兴趣；对于读操作，就是完成连接和系统没有办法承载新读入的数据的时；对于accept，一般是服务器刚启动的时候；而对于connect，一般是connect失败需要重连或者直接异步调用connect的时候。
其次，用一个死循环选择就绪的事件，会执行系统调用（Linux 2.6之前是select、poll，2.6之后是epoll，Windows是IOCP），还会阻塞的等待新事件的到来。新事件到来的时候，会在selector上注册标记位，标示可读、可写或者有连接到来。
注意，select是阻塞的，无论是通过操作系统的通知（epoll）还是不停的轮询(select，poll)，这个函数是阻塞的。所以你可以放心大胆地在一个while(true)里面调用这个函数而不用担心CPU空转。
所以我们的程序大概的模样是：
interface ChannelHandler{
void channelReadable(Channel channel);
void channelWritable(Channel channel);
}
class Channel{
Socket socket;
Event event;//读，写或者连接
}
//IO线程主循环:
class IoThread extends Thread{
public void run(){
Channel channel;
while(channel=Selector.select()){//选择就绪的事件和对应的连接
if(channel.event==accept){
registerNewChannelHandler(channel);//如果是新连接，则注册一个新的读写处理器
}
if(channel.event==write){
getChannelHandler(channel).channelWritable(channel);//如果可以写，则执行写事件
}
if(channel.event==read){
getChannelHandler(channel).channelReadable(channel);//如果可以读，则执行读事件
}
}
}
Map<Channel，ChannelHandler> handlerMap;//所有channel的对应事件处理器
}这个程序很简短，也是最简单的Reactor模式：注册所有感兴趣的事件处理器，单线程轮询选择就绪事件，执行事件处理器。
优化线程模型
由上面的示例我们大概可以总结出NIO是怎么解决掉线程的瓶颈并处理海量连接的：
NIO由原来的阻塞读写（占用线程）变成了单线程轮询事件，找到可以进行读写的网络描述符进行读写。除了事件的轮询是阻塞的（没有可干的事情必须要阻塞），剩余的I/O操作都是纯CPU操作，没有必要开启多线程。
并且由于线程的节约，连接数大的时候因为线程切换带来的问题也随之解决，进而为处理海量连接提供了可能。
单线程处理I/O的效率确实非常高，没有线程切换，只是拼命的读、写、选择事件。但现在的服务器，一般都是多核处理器，如果能够利用多核心进行I/O，无疑对效率会有更大的提高。
仔细分析一下我们需要的线程，其实主要包括以下几种： 1. 事件分发器，单线程选择就绪的事件。 2. I/O处理器，包括connect、read、write等，这种纯CPU操作，一般开启CPU核心个线程就可以。 3. 业务线程，在处理完I/O后，业务一般还会有自己的业务逻辑，有的还会有其他的阻塞I/O，如DB操作，RPC等。只要有阻塞，就需要单独的线程。
Java的Selector对于Linux系统来说，有一个致命限制：同一个channel的select不能被并发的调用。因此，如果有多个I/O线程，必须保证：一个socket只能属于一个IoThread，而一个IoThread可以管理多个socket。
另外连接的处理和读写的处理通常可以选择分开，这样对于海量连接的注册和读写就可以分发。虽然read()和write()是比较高效无阻塞的函数，但毕竟会占用CPU，如果面对更高的并发则无能为力。
通过上面的分析，可以看出NIO在服务端对于解放线程，优化I/O和处理海量连接方面，确实有自己的用武之地。那么在客户端上，NIO又有什么使用场景呢?
常见的客户端BIO+连接池模型，可以建立n个连接，然后当某一个连接被I/O占用的时候，可以使用其他连接来提高性能。
但多线程的模型面临和服务端相同的问题：如果指望增加连接数来提高性能，则连接数又受制于线程数、线程很贵、无法建立很多线程，则性能遇到瓶颈。
代码示例：
Server端：
package web.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class Server {
private Selector selector;
private ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);//调整缓存的大小可以看到打印输出的变化
private ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);//调整缓存的大小可以看到打印输出的变化
String str;
public void start() throws IOException {
// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 进行服务的绑定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8001));
// 通过open()方法找到Selector
selector = Selector.open();
// 注册到selector，等待连接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (!key.isValid()) {
continue;
}
if (key.isAcceptable()) {
accept(key);
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
} else if (key.isWritable()) {
write(key);
}
keyIterator.remove(); //该事件已经处理，可以丢弃
}
}
}
private void write(SelectionKey key) throws IOException, ClosedChannelException {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
str+=" from server";
System.out.println("write:"+str+" from server");
sendBuffer.clear();
sendBuffer.put(str.getBytes());
sendBuffer.flip();
channel.write(sendBuffer);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
private void read(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
// Clear out our read buffer so it's ready for new data
this.readBuffer.clear();
// readBuffer.flip();
// Attempt to read off the channel
int numRead;
try {
numRead = socketChannel.read(this.readBuffer);
} catch (IOException e) {
// The remote forcibly closed the connection, cancel
// the selection key and close the channel.
key.cancel();
socketChannel.close();
return;
}
str = new String(readBuffer.array(), 0, numRead);
System.out.println("收到数据： "+str);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
private void accept(SelectionKey key) throws IOException {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel clientChannel = ssc.accept();
clientChannel.configureBlocking(false);
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("a new client connected "+clientChannel.getRemoteAddress());
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("server started...");
new Server().start();
}
}
Client端：
package web.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;
import java.util.Set;
public class Client {
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
public void start() throws IOException {
// 打开socket通道
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞
sc.configureBlocking(false);
//连接服务器地址和端口
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8001));
//打开选择器
Selector selector = Selector.open();
//注册连接服务器socket的动作
sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true) {
//选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
//此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
selector.select();
//返回此选择器的已选择键集。
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
System.out.println("keys=" + keys.size());
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
keyIterator.remove();
// 判断此通道上是否正在进行连接操作。
if (key.isConnectable()) {
sc.finishConnect();
sc.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
System.out.println("server connected...");
break;
} else if (key.isWritable()) { //写数据
System.out.print("please input message:");
String message = scanner.nextLine();
//ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());
writeBuffer.clear();
writeBuffer.put(message.getBytes());
//将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
writeBuffer.flip();
sc.write(writeBuffer);
//注册写操作,每个chanel只能注册一个操作，最后注册的一个生效
//如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来
//int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;
//使用interest集合
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()){//读取数据
System.out.print("receive message:");
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
//将缓冲区清空以备下次读取
readBuffer.clear();
int num = client.read(readBuffer);
System.out.println(new String(readBuffer.array(),0, num));
//注册读操作，下一次读取
sc.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
new Client().start();
}
}
