第3章 Java NIO核心详解

前言

高性能的Java通信绝对离不开Java NIO组件，现在主流的技术框架或中间件服务器都使用了Java NIO组件，譬如Tomcat、Jetty、Netty。学习和掌握Java NIO组件已经不是一项加分技能，而是一项必备技能。

Java NIO简介

在1.4版本之前，Java IO类库是阻塞IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为Java NIO。
New IO类库的目标就是要让Java支持非阻塞IO，基于此，更多的人喜欢称Java NIO为非阻塞IO（Non-Blocking IO），称“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。

Java NIO类库包含以下三个核心组件：

• Channel（通道）
• Buffer（缓冲区）
• Selector（选择器）

Java NIO属于第三种模型——IO多路复用模型。

NIO和OIO的对比

NIO和OIO的区别主要体现在三个方面：

1. OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。NIO不像OIO那样是顺序操作，它可以随意读取Buffer中任意位置的数据。
2. OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。NIO的非阻塞是使用了通道和通道的多路复用技术。
3. OIO没有选择器（Selector）的概念，而NIO有选择器的概念。

通道

在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个是输入流（Input Stream），另一个是输出流（Output Stream）。Java应用程序通过这两个流不断地进行输入和输出的操作。

在NIO中，一个网络连接使用一个通道表示，所有NIO的IO操作都是通过连接通道完成的。一个通道类似于OIO中两个流的结合体，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据。

选择器

在Java应用层面，Java NIO组件——选择器。选择器可以理解为一个IO事件的监听与查询器。通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

从编程实现维度来说，IO多路复用编程的第一步是把通道注册到选择器中，第二步是通过选择器所提供的事件查询（select）方法来查询这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。

由于一个选择器只需要一个线程进行监控，因此我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个连接通道。

与OIO相比，NIO使用选择器的最大优势是系统开销小。系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而大大减少了系统的开销。总之，一个线程负责多个连接通道的IO处理是非常高效的，这种高效来自Java的选择器组件Selector及其底层的操作系统IO多路复用技术的支持。

缓冲区

应用程序与通道的交互主要是进行数据的读取和写入。为了完成NIO的非阻塞读写操作，NIO为大家准备了第三个重要的组件——Buffer。所谓通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；所谓通道的写入，就是将数据从缓冲区写入通道中。缓冲区的使用是面向流进行读写操作的OIO所没有的，也是NIO非阻塞的重要前提和基础之一。

详解NIO Buffer类及其属性

NIO的Buffer本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以从中读取数据。Java NIO中代表缓冲区的Buffer类是一个抽象类，位于java.nio包中。

NIO的Buffer内部是一个内存块（数组），与普通的内存块（Java数组）不同的是：NIO Buffer对象提供了一组比较有效的方法，用来进行写入和读取的交替访问。

Buffer类是一个非线程安全类。

Buffer类

Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型。在NIO中，有8种缓冲区类，分别是ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、
FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer。前7种Buffer类型覆盖了能在IO中传输的所有Java基本数据类型，第8种类型是一种专门用于内存映射的ByteBuffer类型。

实际上，使用最多的是ByteBuffer（二进制字节缓冲区）类型。

Buffer类的重要属性

Buffer的子类会拥有一块内存，作为数据的读写缓冲区，但是读写缓冲区并没有定义在Buffer基类中，而是定义在具体的子类中。例如，ByteBuffer子类就拥有一个byte[]类型的数组成员final byte[] hb，可以作为自己的读写缓冲区，数组的元素类型与Buffer子类的操作类型相对应。

• capacity：容量，即可以容纳的最大数据量，在缓冲区创建时设置并且不能改变；
• limit：读写的限制，缓冲区中当前的数据量；
• position：读写位置，缓冲区中下一个要被读或写的元素的索引；
• mark：调用markO方法来设置mark=position，再调用resetO让position恢复到mark标记的位置，即position=mark。

详解NIO Buffer类的重要方法

allocat()

在使用Buffer实例之前，我们首先需要获取Buffer子类的实例对象，并且分配内存空间。需要获取一个Buffer实例对象时，并不是使用子类的构造器来创建，而是调用子类的allocate()方法。

put()

在调用allocate()方法分配内存、返回了实例对象后，缓冲区实例对象处于写模式，可以写入对象，如果要把对象写入缓冲区，就需要调用put()方法。put()方法很简单，只有一个参数，即需要写入的对象，只不过要求写入的数据类型与缓冲区的类型保持一致。

flip()

向缓冲区写入数据之后，是否可以直接从缓冲区读取数据呢？不能！这时缓冲区还处于写模式，如果需要读取数据，要将缓冲区转换成读模式。flip()翻转方法是Buffer类提供的一个模式转变的重要方法，作用是将写模式翻转成读模式。

get()

调用flip()方法将缓冲区切换成读模式之后，就可以开始从缓冲区读取数据了。读取数据的方法很简单，可以调用get()方法每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。

rewind()

已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。

mark()和reset()

mark()和reset()两个方法是配套使用的：Buffer.mark()方法将当前position的值保存起来放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；然后可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。

clear()

在读模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写模式。此方法的作用是：
（1）将position清零。
（2）limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。

使用Buffer类的基本步骤

总体来说，使用Java NIO Buffer类的基本步骤如下：
（1）使用创建子类实例对象的allocate()方法创建一个Buffer类的实例对象。
（2）调用put()方法将数据写入缓冲区中。
（3）写入完成后，在开始读取数据前调用Buffer.flip()方法，将缓冲区转换为读模式。
（4）调用get()方法，可以从缓冲区中读取数据。
（5）读取完成后，调用Buffer.clear()方法或Buffer.compact()方法，将缓冲区转换为写模式，可以继续写入。

详解NIO Channel类

Java NIO的通道可以更加细化。例如，不同的网络传输协议类型，在Java中都有不同的NIO Channel实现。

仅着重介绍
其中最为重要的四种Channel实现：FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel。

（1）FileChannel：文件通道，用于文件的数据读写。
（2）SocketChannel：套接字通道，用于套接字TCP连接的数据读写。
（3）ServerSocketChannel：服务器套接字通道（或服务器监听通道），允许我们监听TCP连接请求，为每个监听到的请求创建一个SocketChannel通道。
（4）DatagramChannel：数据报通道，用于UDP的数据读写。

FileChannel

FileChannel（文件通道）是专门操作文件的通道。通过FileChannel，既可以从一个文件中读取数据，也可以将数据写入文件中。特别申明一下，FileChannel为阻塞模式，不能设置为非阻塞模式。

使用FileChannel完成文件复制的实战案例

略

SocketChannel

在NIO中，涉及网络连接的通道有两个：一个是SocketChannel，负责连接的数据传输；另一个是ServerSocketChannel，负责连接的监
听。其中，NIO中的SocketChannel传输通道与OIO中的Socket类对应，NIO中的ServerSocketChannel监听通道对应于OIO中的ServerSocket类。

使用SocketChannel发送文件的实战案例

略

DatagramChannel

当DatagramChannel通道可读时，可以从DatagramChannel读取数据。和前面的SocketChannel读取方式不同，这里不调用read()方法，而是调用receive(ByteBufferbuf)方法将数据从DatagramChannel读入，再写入ByteBuffer缓冲区中。

//创建缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
//从DatagramChannel读入，再写入ByteBuffer缓冲区
SocketAddress clientAddr = datagramChannel.receive(buf);

使用DatagramChannel发送数据的实战案例

略

详解NIO Selector

Java NIO的三大核心组件是Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。其中，通道和缓冲区的联系比较密切：数据总是从通道读到缓冲区内，或者从缓冲区写入通道中。

选择器与注册

选择器的使命是完成IO的多路复用，其主要工作是通道的注册、监听、事件查询。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况。选择器和通道的关系是监控和被监控的关系。

选择器提供了独特的API方法，能够选出（select）所监控的通道已经发生了哪些IO事件，包括读写就绪的IO操作事件。

通道和选择器之间的关联通过register（注册）的方式完成。调用通道的Channel.register(Selector sel，int ops)方法，可以将通道实例注册到一个选择器中。register方法有两个参数：

• 第一个参数指定通道注册到的选择器实例；
• 第二个参数指定选择器要监控的IO事件类型。

可供选择器监控的通道IO事件类型包括以下四种：
（1）可读：SelectionKey.OP_READ。
（2）可写：SelectionKey.OP_WRITE。
（3）连接：SelectionKey.OP_CONNECT。
（4）接收：SelectionKey.OP_ACCEPT。

//监控通道的多种事件，用“按位或”运算符来实现
int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

这里的IO事件不是对通道的IO操作，而是通道处于某个IO操作的就绪状态，表示通道具备执行某个IO操作的条件。
例如，某个SocketChannel传输通道如果完成了和对端的三次握手过程，就会发生“连接就绪”（OP_CONNECT）事件；
某个ServerSocketChannel服务器连接监听通道，连接到来时，则会发生“接收就绪”（OP_ACCEPT）事件；
一个SocketChannel通道有数据可读，就会发生“读就绪”（OP_READ）事件；
一个SocketChannel通道等待数据写入，就会发生“写就绪”（OP_WRITE）事件。

SelectableChannel

并不是所有的通道都是可以被选择器监控或选择的。例如，FileChannel就不能被选择器复用。判断一个通道能否被选择器监控或
选择有一个前提：判断它是否继承了抽象类SelectableChannel（可选择通道），如果是，就可以被选择，否则不能被选择。
简单地说，一个通道若能被选择，则必须继承SelectableChannel类。

SelectionKey

一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey（选择键）的集合中。

在实际编程时，SelectionKey的功能是很强大的。通过SelectionKey，不仅可以获得通道的IO事件类型（比如SelectionKey.OP_READ），还可以获得发生IO事件所在的通道。另外，还可以获得选择器实例。

选择器使用流程

选择器的使用主要有以下三步：
（1）获取选择器实例。选择器实例是通过调用静态工厂方法open()来获取的，具体如下：

//调用静态工厂方法open()来获取Selector实例
Selector selector = Selector.open();

Selector的类方法open()的内部是向选择器SPI发出请求，通过默认的SelectorProvider（选择器提供者）对象获取一个新的选择器实例。Java中的SPI（Service Provider Interface，服务提供者接口）
是一种可以扩展的服务提供和发现机制。Java通过SPI的方式提供选择器的默认实现版本。也就是说，其他的服务提供者可以通过SPI的方式提供定制化版本的选择器的动态替换或者扩展。

（2）将通道注册到选择器实例。要实现选择器管理通道，需要将通道注册到相应的选择器上，简单的示例代码如下：

//获取通道
ServerSocketChannelserverSocketChannel =
ServerSocketChannel.open();
//设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//绑定连接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(18899));
//将通道注册到选择器上，并指定监听事件为“接收连接”
serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);

（3）选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）。通过Selector的select()方法，选出已经注册的、已经就绪的IO事件，并且保存到
SelectionKey集合中。SelectionKey集合保存在选择器实例内部，其元素为SelectionKey类型实例。调用选择器的selectedKeys()方法，可以取得选择键集合。
处理完成后，需要将选择键从SelectionKey集合中移除，以防止下一次循环时被重复处理。SelectionKey集合不能添加元素，如果试图向SelectionKey中添加元素，则将抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

使用NIO实现Discard服务器的实战案例

Discard服务器的功能很简单：仅读取客户端通道的输入数据，读取完成后直接关闭客户端通道，并且直接抛弃掉（Discard）读取到的数据。Discard服务器足够简单明了，作为第一个学习NIO的通信实例比较有参考价值。

使用SocketChannel在服务端接收文件的实战案例

具体案例见github源码。

客户端每次传输文件都会分为多次传输：首先传入文件名称，其次是文件大小，然后是文件内容。

由于NIO传输是非阻塞、异步的，因此在传输过程中会出现“粘包”和“半包”问题。正因如此，无论是前面NIO文件传输实例还是Discard服务器程序，都会在传输过程中出现异常现象（偶现）。