【深入理解Java】一篇文章带你彻底吃透Java NIO

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一、Java思维导图

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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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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

  1. 服务器端启动一个ServerSocket;
  2. 客户端启动Socket对服务器进行通 信,默认情况下服务器端需要对每 个客户 建立一个线程与之通讯;
  3. 客户端发出请求后, 先咨询服务器 是否有线程响应,如果没有则会等 待,或者被拒绝;
  4. 如果有响应,客户端线程会等待请 求结束后,在继续执行;

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

  1. 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;
  2. BIO 是阻塞的,NIO 则是非阻塞的;
  3. 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

在这里插入图片描述
流程图说明:

  1. Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个channel(连接);
  2. 该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序;
  3. 每个channel 都会对应一个Buffer;
  4. 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;
  5. Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换;
  6. Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组;
  7. 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;
  8. 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

  1. ByteBuffer,存储字节数据到缓冲区;
  2. ShortBuffer,存储字符串数据到缓冲区;
  3. CharBuffer,存储字符数据到缓冲区;
  4. IntBuffer,存储整数数据到缓冲区;
  5. LongBuffer,存储长整型数据到缓冲区;
  6. DoubleBuffer,存储小数到缓冲区;
  7. FloatBuffer,存储小数到缓冲区;

2、buffer四大属性

  1. mark:标记
  2. 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。
  3. 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
  4. 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。

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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

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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:

  1. read,从通道读取数据并放到缓冲区中
  2. write,把缓冲区的数据写到通道中
  3. transferFrom,从目标通道 中复制数据到当前通道
  4. 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

  1. 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。
  2. 可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer。
  3. 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。
  4. 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

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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

  1. open();//得到一个选择器对象
  2. 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
  3. 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<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<SelectionKey> 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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十二、我愿称你为最强

Java学习路线总结(思维导图篇)
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【Java基础知识 3】为何要配置环境变量?
【Java基础知识 4】秒懂数组拷贝,感知新境界
【Java基础知识 5】装箱和拆箱
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