从零开始学习Java网络编程（三）之超级简单的NIO

抬头三思
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什么是NIO？

这是一个新的IO处理类库，相对于BIO来说，它是新增的，所以它是(New IO)的简称。

但同时，NIO相对BIO来说，BIO是阻塞式IO，NIO是一个非阻塞式的IO，所以它也可称之为(Non-block IO)非阻塞IO。

NIO提供了那些新的特性？
缓冲区（Buffer）

缓冲区Buffer本质是一个对象，这个对象包含写入或者是读出的数据。在BIO中数据读出或者写入是通过Stream流来操作，流是单相的，要么写入，要么读出。但是Buffer是一个双向的。

在NIO中所有的数据都是通过缓冲区来处理，读取数据时，直接读到缓冲区中；写入数据时，写入到缓冲区。访问数据时，都是通过缓冲区进行操作。

public static void main(String[] args) {
        final ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
​
        allocate.put("a".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        allocate.put("A".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        allocate.put("b".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        allocate.put("c".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
​
        allocate.flip();
​
        System.out.println(String.valueOf(allocate.get(0)));
        System.out.println(String.valueOf(allocate.get(1)));
        System.out.println(String.valueOf(allocate.get(2)));
        System.out.println(String.valueOf(allocate.get(3)));
    }

缓冲区通常是一个字节数组，但是它也可以是其它类型的数组，比如下面的类图中，所有类型的Buffer父类都是java.nio.Buffer

image-20241105200546230.png

Buffer中定义了几种重要的数据：

private int mark = -1;标志位，允许在执行一些操作后返回此位置。mark 值在调用 mark() 方法时设置为当前的 position。调用 reset() 方法可以将 position 恢复到之前标记的 mark 位置。如果未设置标记，调用 reset() 会抛出 InvalidMarkException。
private int position = 0;定义了读写当前位置，从0开始到limit，每次读写一个元素，position自动增加，使用 flip() 方法切换缓冲区的读写模式时，position 会被重置为 0
private int limit;定义当前读写数据的限制，比如写入模式下，limit <= capacity,在读取模式下，limit表示的是写入数据的末尾位置。
private int capacity;定义了数组的容量
  1. 初始化

image-20230118175831895.png

  1. 写入数据

image-20230118175916070.png

  1. 切换为读

image-20230118180141653.png

  1. 读取数据之后

image-20230118180305644.png

  1. clear动作之后

image-20230118180405655.png

  1. compact动作

image-20230118181625219.png

channel通道

Channel是一个“通道“，网络数据通过Channel读取和写入。它有点类似于Stream流，但是它是更为灵活，支持异步的读写操作和双向的数据传输。

因为Channel是全双工的,所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中,底层操作系统的通道都是全全双工的,同时支持读写操作。

  1. 双向传输：

Channel 可以同时支持读和写操作，这与传统 I/O 的单向流不同。流在输入时只能读取，在输出时只能写入，而通道则可以同时读写。

  1. 非阻塞操作：

Channel 支持非阻塞模式，可以让线程在执行 I/O 操作时不会被阻塞。比如在读取文件时，通道可以立即返回，线程可以继续执行其他任务。

  1. 与缓冲区（Buffer）配合使用：

通道与缓冲区密切配合，用来进行高效的数据操作。数据会先从通道读取到缓冲区，再从缓冲区写入到通道中。通过 Buffer 对象，开发者可以更灵活地控制数据的读写操作。

Channel的类图关系:

image-20241105204809622.png

可以看出，Channel提供了接口，下面有不同的实现，其主要可以分为两类，用于网络读写SelectableChannel 和用于文件操作的FileChannel

操作文件的实例：

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
​
public class FileChannelExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个 RandomAccessFile 实例并获取 FileChannel
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "r");
        FileChannel fileChannel = file.getChannel();
​
        // 创建一个缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
​
        // 将数据从通道读取到缓冲区
        int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
​
        // 读取数据
        while (bytesRead != -1) {
            buffer.flip(); // 切换缓冲区为读模式
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
            buffer.clear(); // 清空缓冲区用于下次读取
            bytesRead = fileChannel.read(buffer);
        }
​
        fileChannel.close();
        file.close();
    }
}
selector 多路复用器

主要是在单个线程上管理多个Channel的IO操作。通过 Selector，可以在一个线程中同时处理多个通道的 I/O 事件（如读、写、连接、接受等），从而有效提升性能，减少线程资源的消耗。

Selector会不断地轮询注册在其上的Channel,如果某个Channel上面发生读或者写事件,这个Channel就处于就绪状态,会被Selector轮询出来,然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合,进行后续的I/O操作。

Selector的特点：

  1. 单线程管理多连接：

• 使用 Selector，可以让一个线程同时处理多个通道，而无需为每个通道创建单独的线程，极大地提高了资源利用率。

  1. 非阻塞 I/O：

• Selector 支持非阻塞模式，可以检测出哪些通道准备好进行 I/O 操作，避免传统阻塞 I/O 模型中线程等待的问题。

  1. 事件驱动：

• Selector 监听通道的事件，通道一旦准备好特定的操作（如读、写），就会通知 Selector 处理相关事件。这种事件驱动机制让 Selector 更加高效。

Selector 监听的事件类型

Selector 可以监听的事件包括：

• OP_READ：通道的读事件，表示通道中有数据可供读取。

• OP_WRITE：通道的写事件，表示通道可以进行写操作。

• OP_CONNECT：连接事件，表示客户端通道成功连接到服务器。

• OP_ACCEPT：接收事件，表示服务器通道可以接受新的客户端连接。

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