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NIO

Java NIO 基本介紹

Java NIO 全稱 Java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。從 JDK1.4 開始，Java 提供了一系列改進的輸入/輸出的新特性，被統(tǒng)稱為 NIO（即 NewIO），是同步非阻塞的。NIO 相關(guān)類都被放在 java.nio 包及子包下，并且對原 java.io 包中的很多類進行改寫。NIO 有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（緩沖區(qū)）、Selector（選擇器） 。NIO 是面向緩沖區(qū)，或者面向塊編程的。數(shù)據(jù)讀取到一個它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時可在緩沖區(qū)中前后移動，這就增加了處理過程中的靈活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網(wǎng)絡(luò)。Java NIO 的非阻塞模式，使一個線程從某通道發(fā)送請求或者讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時，就什么都不會獲取，而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。非阻塞寫也是如此，一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。通俗理解：NIO 是可以做到用一個線程來處理多個操作的。假設(shè)有 10000 個請求過來,根據(jù)實際情況，可以分配 50 或者 100 個線程來處理。不像之前的阻塞 IO 那樣，非得分配 10000 個。HTTP 2.0 使用了多路復(fù)用的技術(shù)，做到同一個連接并發(fā)處理多個請求，而且并發(fā)請求的數(shù)量比 HTTP 1.1 大了好幾個數(shù)量級。

NIO 三大核心原理示意圖

一張圖描述 NIO 的 Selector、Channel 和 Buffer 的關(guān)系。

每個 Channel 都會對應(yīng)一個 Buffer。Selector 對應(yīng)一個線程，一個線程對應(yīng)多個 Channel（連接）。該圖反應(yīng)了有三個 Channel 注冊到該 Selector //程序程序切換到哪個 Channel 是由事件決定的，Event 就是一個重要的概念。Selector 會根據(jù)不同的事件，在各個通道上切換。Buffer 就是一個內(nèi)存塊，底層是有一個數(shù)組。數(shù)據(jù)的讀取寫入是通過 Buffer，這個和 BIO是不同的，BIO 中要么是輸入流，或者是輸出流，不能雙向，但是 NIO 的 Buffer 是可以讀也可以寫，需要 flip 方法切換 Channel 是雙向的，可以返回底層操作系統(tǒng)的情況，比如 Linux，底層的操作系統(tǒng)通道就是雙向的。

NIO 和 BIO 的比較

BIO 以流的方式處理數(shù)據(jù)，而 NIO 以塊的方式處理數(shù)據(jù)，塊 I/O 的效率比流 I/O 高很多。 BIO 是阻塞的，NIO 則是非阻塞的。 BIO 基于字節(jié)流和字符流進行操作，而 NIO 基于 Channel（通道）和 Buffer（緩沖區(qū)）進行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。Selector（選擇器）用于監(jiān)聽多個通道的事件（比如：連接請求，數(shù)據(jù)到達等），因此使用單個線程就可以監(jiān)聽多個客戶端通道。 Buffer和Channel之間的數(shù)據(jù)流向是雙向的

緩沖區(qū)（Buffer）

緩沖區(qū)（Buffer）：緩沖區(qū)本質(zhì)上是一個可以讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，可以理解成是一個**容器對象（含數(shù)組）**該對象提供了一組方法，可以更輕松地使用內(nèi)存塊，，緩沖區(qū)對象內(nèi)置了一些機制，能夠跟蹤和記錄緩沖區(qū)的狀態(tài)變化情況。Channel 提供從文件、網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)都必須經(jīng)由 Buffer，

通道（Channel）

NIO 的通道類似于流，但有些區(qū)別如下：

通道可以同時進行讀寫，而流只能讀或者只能寫通道可以實現(xiàn)異步讀寫數(shù)據(jù)通道可以從緩沖讀數(shù)據(jù)，也可以寫數(shù)據(jù)到緩沖:

BIO 中的 Stream 是單向的，例如 FileInputStream 對象只能進行讀取數(shù)據(jù)的操作，而 NIO 中的通道（Channel）是雙向的，可以讀操作，也可以寫操作。Channel 在 NIO 中是一個接口 public interface Channel extends Closeable{}常用的 Channel 類有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel?！維erverSocketChanne 類似 ServerSocket、SocketChannel 類似 Socket】FileChannel 用于文件的數(shù)據(jù)讀寫，DatagramChannel 用于 UDP 的數(shù)據(jù)讀寫，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的數(shù)據(jù)讀寫。

NIO 還支持通過多個 Buffer（即 Buffer數(shù)組）完成讀寫操作，即 Scattering 和 Gathering【舉例說明】

/**

* @Author：jiangdw7

* @date: 2023/8/9 10:04

*/

public class ScatteringAndGatheringTest {

public static void main(String[] args) throws Exception {

//使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 網(wǎng)絡(luò)

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);

//綁定端口到 socket，并啟動

serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

//創(chuàng)建 buffer 數(shù)組

ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];

byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);

byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);

//等客戶端連接 (telnet)

SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

int messageLength = 8; //假定從客戶端接收 8 個字節(jié)

//循環(huán)的讀取

while (true) {

int byteRead = 0;

while (byteRead < messageLength) {

long l = socketChannel.read(byteBuffers);

byteRead += l; //累計讀取的字節(jié)數(shù)

System.out.println("byteRead = " + byteRead);

//使用流打印,看看當(dāng)前的這個 buffer 的 position 和 limit

Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "position = " + buffer.position() + ", limit = " + buffer.limit()).forEach(System.out::println);

}

//將所有的 buffer 進行 flip

Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip());

//將數(shù)據(jù)讀出顯示到客戶端

long byteWirte = 0;

while (byteWirte < messageLength) {

long l = socketChannel.write(byteBuffers);

byteWirte += l;

}

//將所有的buffer進行clear

Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> {

buffer.clear();

});

System.out.println("byteRead = " + byteRead + ", byteWrite = " + byteWirte + ", messagelength = " + messageLength);

}

}

}

Selector（選擇器）

Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式?？梢杂靡粋€線程，處理多個的客戶端連接，就會使用到 Selector（選擇器）。Selector 能夠檢測多個注冊的通道上是否有事件發(fā)生（注意：多個 Channel 以事件的方式可以注冊到同一個 Selector），如果有事件發(fā)生，便獲取事件然后針對每個事件進行相應(yīng)的處理。這樣就可以只用一個單線程去管理多個通道，也就是管理多個連接和請求。只有在連接/通道真正有讀寫事件發(fā)生時，才會進行讀寫，就大大地減少了系統(tǒng)開銷，并且不必為每個連接都創(chuàng)建一個線程，不用去維護多個線程。避免了多線程之間的上下文切換導(dǎo)致的開銷。

注意事項

NIO 中的 ServerSocketChannel 功能類似 ServerSocket、SocketChannel 功能類似 Socket。Selector 相關(guān)方法說明

selector.select(); //阻塞selector.select(1000); //阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回selector.wakeup(); //喚醒 selectorselector.selectNow(); //不阻塞，立馬返還

public class NIOClient {

private static Selector selector;

public static void main(String[] args) throws Exception {

selector = Selector.open();

SocketChannel sc = SocketChannel.open();

sc.configureBlocking(false);

sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8081));

sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(1024);

bf.put("Hi,server,i'm client".getBytes());

if (sc.finishConnect()) {

bf.flip();

while (bf.hasRemaining()) {

sc.write(bf);

}

while (sc.isConnected()) {

selector.select();

Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();

while (it.hasNext()) {

SelectionKey key = it.next();

if (key.isReadable()) {

ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();

bf.clear();

SocketChannel othersc = (SocketChannel) key.channel();

while (othersc.read(bf) > 0) {

bf.flip();

while (bf.hasRemaining()) {

bos.write(bf.get());

}

bf.clear();

}

System.out.println("服務(wù)端返回的數(shù)據(jù)：" + bos.toString());

Thread.sleep(5000);

sc.close();

System.out.println("客戶端關(guān)閉...");

}

}

selector.selectedKeys().clear();

}

}

}

}

public class NIOServer {

private static Selector selector;

private static ServerSocketChannel serverSocketChannel;

private static ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(1024);

public static void main(String[] args) throws Exception {

init();

while (true) {

int select = selector.select(10000);

if (select == 0) {

System.out.println("等待連接10秒...");

continue;

}

Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();

while (it.hasNext()) {

SelectionKey key = it.next();

if (key.isAcceptable()) {

System.out.println("連接準備就緒");

ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();

System.out.println("等待客戶端連接中........................");

SocketChannel channel = server.accept();

channel.configureBlocking(false);

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) {

System.out.println("讀準備就緒，開始讀.......................");

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

System.out.println("客戶端的數(shù)據(jù)如下：");

int readLen = 0;

bf.clear();

StringBuffer sb = new StringBuffer();

while ((readLen = channel.read(bf)) > 0) {

bf.flip();

byte[] temp = new byte[readLen];

bf.get(temp, 0, readLen);

sb.append(new String(temp));

bf.clear();

}

if (-1 == readLen) {

System.out.println(channel.hashCode()+"號客戶端關(guān)閉。");

channel.close();

}else {

channel.write(ByteBuffer.wrap(("客戶端，你傳過來的數(shù)據(jù)是：" + sb.toString()).getBytes()));

System.out.println(sb.toString()+"132123");

}

}

it.remove();

}

}

}

private static void init() throws Exception {

selector = Selector.open();

serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.configureBlocking(false);

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8081));

serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

}

}

參考連接

https://www.cnblogs.com/xdouby/p/8942083.html

https://www.zhihu.com/question/22524908

https://blog.csdn.net/ArtAndLife/article/details/121001656

AIO

JDK7 引入了 AsynchronousI/O，即 AIO。在進行 I/O 編程中，常用到兩種模式：Reactor 和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，當(dāng)有事件觸發(fā)時，服務(wù)器端得到通知，進行相應(yīng)的處理 AIO 即 NIO2.0，叫做異步不阻塞的 IO。AIO 引入異步通道的概念，采用了 Proactor 模式，簡化了程序編寫，有效的請求才啟動線程，它的特點是先由操作系統(tǒng)完成后才通知服務(wù)端程序啟動線程去處理，一般適用于連接數(shù)較多且連接時間較長的應(yīng)用 目前 AIO 還沒有廣泛應(yīng)用，Netty 也是基于 NIO，而不是 AIO，因此我們就不詳解 AIO 了，有興趣的同學(xué)可以參考《Java新一代網(wǎng)絡(luò)編程模型AIO原理及Linux系統(tǒng)AIO介紹》

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