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• Oracle官方文档:docs.oracle.com/javase/8/do…
• Practice Repository:github.com/bakazhou/JU…

NIO(非阻塞IO)基础

1.三大组件

1.1 Channel & Buffer

channel与buffer是双向通道，可以从channel将数据读入buffer，也可以将buffer数据写入channel
常见的channel:

• File Channel
• Datagram Channel
• Socket Channel
• Server Socket Channel

常用的buffer:

• ByteBuffer(以下三种均属于ByteBuffer)
• MapperByteBuffer
• DirectByteBuffer
• HeapByteBuffer

1.2 Selector

传统通信设计

Selector设计

selector的作用是配合一个线程管理多个channel，获取channel上发生的事件，channel工作在非阻塞模式下，当channel发生了读写就绪事件，selector会将事件交给thread进行处理

2.ByteBuffer

2.1 ByteBuffer基本使用

有一普通文本文件data.txt，内容为如下，读取其中数据并组成字符串

1234567890abcd

@Test
void shouldReturnStringWhenReadData() {
    //File Channel
    //通过输入输出流
    try(FileChannel channel = new FileInputStream("src/data.txt").getChannel()) {
        //准备缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1);

        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();


        //从Channel读取，向Buffer写入
        while (channel.read(buffer) != -1){
            //切换到buffer的读模式
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()){
                byte b = buffer.get();
                stringBuilder.append((char) b);
            }

            //切换到写模式
            buffer.clear();
        }

        Assertions.assertEquals("1234567890abcd",stringBuilder.toString());

    } catch (IOException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

2.2 Buffer结构

字节缓冲区的父类Buffer中有几个核心属性，如下

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;Copy

• capacity：缓冲区的容量。通过构造函数赋予，一旦设置，无法更改
• limit：缓冲区的界限。位于limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量
• position：下一个读写位置的索引（类似PC）。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于limit
• mark：记录当前position的值。position被改变后，可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置。

以上四个属性必须满足以下要求
mark <= position <= limit <= capacity

2.3 核心方法

put()方法

• put()方法可以将一个数据放入到缓冲区中。
• 进行该操作后，postition的值会+1，指向下一个可以放入的位置。capacity = limit ，为缓冲区容量的值。

flip()方法

• flip()方法会切换对缓冲区的操作模式，由写->读 / 读->写

• 进行该操作后

  • 如果是写模式->读模式，position = 0 ， limit 指向最后一个元素的下一个位置，capacity不变
  • 如果是读->写，则恢复为put()方法中的值

get()方法

• get()方法会读取缓冲区中的一个值
• 进行该操作后，position会+1，如果超过了limit则会抛出异常
• 注意：get(i)方法不会改变position的值

rewind()方法

• 该方法只能在读模式下使用
• rewind()方法后，会恢复position、limit和capacity的值，变为进行get()前的值

clean()方法

• clean()方法会将缓冲区中的各个属性恢复为最初的状态，position = 0, capacity = limit
• 此时缓冲区的数据依然存在，处于“被遗忘”状态，下次进行写操作时会覆盖这些数据

mark()和reset()方法

• mark()方法会将postion的值保存到mark属性中
• reset()方法会将position的值改为mark中保存的值

compact()方法

此方法为ByteBuffer的方法，而不是Buffer的方法

• compact会把未读完的数据向前压缩，然后切换到写模式
• 数据前移后，原位置的值并未清零，写时会覆盖之前的值

clear() VS compact()

clear只是对position、limit、mark进行重置，而compact在对position进行设置，以及limit、mark进行重置的同时，还涉及到数据在内存中拷贝（会调用arraycopy）。所以compact比clear更耗性能。 但compact能保存你未读取的数据，将新数据追加到为读取的数据之后；而clear则不行，若你调用了clear，则未读取的数据就无法再读取到了

开辟buffer空间的两种方式(allocate & allocateDirect)

//allocate方法开辟的是堆内存空间，读写效率低，同时收到垃圾回收的影响
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(16);
//allocateDirect方法开辟的是直接内存，读写效率高，分配效率低，可能会造成内存泄漏
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(16);

2.4 核心方法测试

工具类 ByteBufferUtil

public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(StringUtil.NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (MathUtil.isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        StringUtil.NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        StringUtil.NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(StringUtil.NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(StringUtil.NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}

TestBufferReadWrite

用于观察数据写入和读取后的缓冲区状态

public class TestBufferReadWrite {
    @Test
    void test() {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 向buffer中写入1个字节的数据
        buffer.put((byte)97);
        // 使用工具类，查看buffer状态
        System.out.println("Put one element");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        System.out.println();
        // 向buffer中写入4个字节的数据
        buffer.put(new byte[]{98, 99, 100, 101});
        System.out.println("Put four element");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println();

        // 获取数据
        buffer.flip();
        System.out.println("before get");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println();

        System.out.println(buffer.get());
        System.out.println(buffer.get());
        System.out.println("after get twice");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println();
        // 使用compact切换模式
        buffer.compact();
        System.out.println("after compact");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println();
        // 再次写入
        buffer.put((byte)102);
        buffer.put((byte)103);
        System.out.println("after put double element again");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
    }
}

字符串与ByteBuffer的相互转换

方法一

编码：字符串调用getByte方法获得byte数组，将byte数组放入ByteBuffer中

解码：先调用ByteBuffer的flip方法，然后通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class TestTranslateString {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";


        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
        // 通过字符串的getByte方法获得字节数组，放入缓冲区中
        buffer1.put(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 切换模式
        buffer1.flip();
        
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [16]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

方法二

编码：通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer，此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式

解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class TestTranslateString {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode(str1);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

方法三

编码：字符串调用getByte()方法获得字节数组，将字节数组传给ByteBuffer的wrap()方法，通过该方法获得ByteBuffer。同样无需调用flip方法切换为读模式

解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class TestTranslateString {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

粘包与半包

现象

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用\n进行分隔
但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为

• Hello,world\n
• I’m Nyima\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (粘包，半包)

• Hello,world\nI’m Nyima\nHo
• w are you?\n

粘包: 两条消息被组合在一起即为粘包，一般出现的原因是因为多条消息被一起发送
半包: 消息被截断为半包，一般出现原因是因为接收方一次能接收的最大信息量有限，因而产生半包的现象

解决办法

• 通过get(index)方法遍历ByteBuffer，遇到分隔符时进行处理。注意：get(index)不会改变position的值

  • 记录该段数据长度，以便于申请对应大小的缓冲区
  • 将缓冲区的数据通过get()方法写入到target中

• 调用compact方法切换模式，因为缓冲区中可能还有未读的数据

public class TestVisioPacket {
    @Test
    void testVisioPacket() {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
        // 模拟粘包+半包
        buffer.put("Hello,world\nI'm Nyima\nHo".getBytes());
        // 调用split函数处理
        split(buffer);
        buffer.put("w are you?\n".getBytes());
        split(buffer);
    }

    private void split(ByteBuffer buffer) {
        buffer.flip();
        for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            //找到换行符的下标
            //调用get(index)方法并不会改变position的位置
            if (buffer.get(i) == '\n'){
                StringBuilder builder = new StringBuilder();
                //当前换行符前的字符长度，即需要取出的缓冲区长度
                int length = i + 1 - buffer.position();
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    //取出buffer中的字符，get方法会使position+1
                    builder.append((char)buffer.get());
                }
                System.out.println("string:"+builder.toString());
            }
        }
        //调用compact，使缓冲区中未读取完的字符不会被清空
        /*
        例如Hello,world\nI'm Nyima\nHo
        因为Ho后没有\n所以Ho不会被取出，compact会将Ho向前压缩，再第二次读取时就会组成How are you?\n
         */
        buffer.compact();
    }
}

网络编程

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停

  • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read 会在通道中没有数据可读时让线程暂停
  • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置

• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持

• 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面

  • 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
  • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

ServiceServer

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //  使用nio

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 创建服务端服务器
        ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

        // 绑定监听端口
        server.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 客户端连接accept
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true){
            System.out.println("waiting for connecting");
            //用于客户端通信
            //accept是阻塞方法，如果没有新的连接就会一直阻塞在此处
            channels.add(server.accept());

            System.out.println("client connected");
            for (SocketChannel channel : channels) {
                System.out.println("before read");
                // 接受客户端数据
                channel.read(buffer);

                // 切换到读模式
                buffer.flip();
                ByteBufferUtil.debugRead(buffer);

                System.out.println("after read");
                System.out.println();
                //切换到写模式
                buffer.clear();
            }

        }
    }
}

ClientServer

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建客户端服务器
        SocketChannel client = SocketChannel.open();

        // 进行连接
        client.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));

        client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello! Im client"));

    }
}

非阻塞

• 可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接，accept会返回null
• 可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读，read会返回-1

ServiceServer

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                // 设置为非阻塞模式，没有连接时返回null，不会阻塞线程
                server.configureBlocking(false);
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                System.out.println("before connecting...");
                // 通道不为空时才将连接放入到集合中
                if (socketChannel != null) {
                    System.out.println("after connecting...");
                    channels.add(socketChannel);
                }
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    // 处理通道中的数据
                    // 设置为非阻塞模式，若通道中没有数据，会返回0，不会阻塞线程
                    channel.configureBlocking(false);
                    int read = channel.read(buffer);
                    if(read > 0) {
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("after reading");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这样写存在一个问题，因为设置为了非阻塞，会一直执行while(true)中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不使用这种方法处理请求

Selector

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

• 多路复用仅针对网络 IO，普通文件 IO 无法利用多路复用

• 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证

  • 有可连接事件时才去连接

  • 有可读事件才去读取

  • 有可写事件才去写入

    • 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件

Accept事件

public class ServerDemo {
   public static void main(String[] args) {

       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
       // 获得服务器通道
       try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
           server.bind(new InetSocketAddress(8080));
           // 创建选择器
           Selector selector = Selector.open();

           // 通道必须设置为非阻塞模式
           server.configureBlocking(false);
           // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
           server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
           while (true) {
               // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
               // 返回值为就绪的事件个数
               int ready = selector.select();
               System.out.println("selector ready counts : " + ready);

               // 获取所有事件
               Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

               // 使用迭代器遍历事件
               Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
               while (iterator.hasNext()) {
                   SelectionKey key = iterator.next();

                   // 判断key的类型
                   if(key.isAcceptable()) {
                       // 获得key对应的channel
                       ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                       System.out.println("before accepting...");

                       // 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
                       SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                       System.out.println("after accepting...");

                       // 处理完毕后移除
                       iterator.remove();
                   }
               }
           }
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

步骤解析

• 获得选择器Selector

Selector selector = Selector.open();

• 将通道设置为非阻塞模式，并注册到选择器中，并设置感兴趣的事件

  • channel 必须工作在非阻塞模式

  • FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用

  • 绑定的事件类型可以有

    • connect - 客户端连接成功时触发
    • accept - 服务器端成功接受连接时触发
    • read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
    • write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

// 通道必须设置为非阻塞模式
server.configureBlocking(false);
// 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

• 通过Selector监听事件，并获得就绪的通道个数，若没有通道就绪，线程会被阻塞

  • 阻塞直到绑定事件发生

    int count = selector.select();
    

  • 阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）

    int count = selector.select(long timeout);
    

  • 不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件

    int count = selector.selectNow();
    

• 获取就绪事件并得到对应的通道，然后进行处理

// 获取所有事件
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
// 使用迭代器遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
	SelectionKey key = iterator.next();
                    
	// 判断key的类型，此处为Accept类型
	if(key.isAcceptable()) {
        // 获得key对应的channel
        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

        // 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();

        // 处理完毕后移除
        iterator.remove();
	}
}Copy

事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel） ，不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

Read事件

• 在Accept事件中，若有客户端与服务器端建立了连接，需要将其对应的SocketChannel设置为非阻塞，并注册到选择其中
• 添加Read事件，触发后进行读取操作

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的实践
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择其中
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("after reading...");
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

当处理完一个事件后，一定要调用迭代器的remove方法移除对应事件，否则会出现错误。原因如下

以我们上面的 Read事件 的代码为例

• 当调用了 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)后，Selector中维护了一个集合，用于存放SelectionKey以及其对应的通道

  // WindowsSelectorImpl 中的 SelectionKeyImpl数组
  private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];Copy
  

  public class SelectionKeyImpl extends AbstractSelectionKey {
      // Key对应的通道
      final SelChImpl channel;
      ...
  }Copy
  

  

• 当选择器中的通道对应的事件发生后，selecionKey会被放到另一个集合中，但是selecionKey不会自动移除，所以需要我们在处理完一个事件后，通过迭代器手动移除其中的selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理，就会引发错误

NIO BIO

Stream与Channel

• stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
• stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
• 二者均为全双工，即读写可以同时进行
  • 虽然Stream是单向流动的，但是它也是全双工的

IO模型

• 同步：线程自己去获取结果（一个线程）

  • 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果

• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程）

  • 例如：线程A调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程B返回

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段

• 复制数据阶段

  

根据UNIX 网络编程 - 卷 I，IO模型主要有以下几种

阻塞IO

• 用户线程进行read操作时，需要等待操作系统执行实际的read操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作

非阻塞IO

• 用户线程在一个循环中一直调用read方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回

  • 只是在等待阶段非阻塞

• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java中通过Selector实现多路复用

• 当没有事件是，调用select方法会被阻塞住
• 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

• 阻塞IO模式下，若线程因accept事件被阻塞，发生read事件后，仍需等待accept事件执行完成后，才能去处理read事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

异步IO

• 线程1调用方法后理解返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
• 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1

零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);Copy

内部工作流如下

• Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU

  DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO

• 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA

• 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝

• 接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10)

  • 底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存

• ByteBuffer.allocateDirect(10)

  • 底层对应DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写

• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步

  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列

    • 当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存
    • DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法

  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存

• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化1

以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

这种方法下

• 只发生了1次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化2

linux 2.4 对上述方法再次进行了优化

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

整个过程仅只发生了1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次

AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势