快速入门java网络编程基础------Nio

一. NIO 基础

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0.什么是nio？

NIO（New I/O）是Java中提供的一种基于通道和缓冲区的I/O（Input/Output）模型。它是相对于传统的IO（InputStream和OutputStream）模型而言的新型I/O模型。NIO的主要特点包括：

1.通道与缓冲区：

2.NIO引入了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念。通道是对传统IO中的流的抽象，它可以支持双向数据传输。而缓冲区则是存储数据的地方，数据在通道和缓冲区之间传递。

3.非阻塞IO：

4.NIO提供了非阻塞I/O操作的能力。在传统IO模型中，当一个线程在读取或写入数据时会被阻塞，而在NIO中，线程可以继续处理其他任务，而不必等待数据的读取或写入完成。

5.选择器（Selector）：

6.NIO引入了选择器的概念，使得一个线程可以同时监控多个通道的IO事件。这样，一个线程可以有效地管理多个通道，从而提高系统的性能。

7.面向缓冲区的操作：

8.NIO中的数据读取和写入都是面向缓冲区的。数据首先被读取到缓冲区，然后再从缓冲区写入到通道，或者从通道读取到缓冲区。这种方式相对于直接流式IO更加灵活，可以更好地处理不同大小的数据块。

9.异步IO：

10.Java NIO提供了异步I/O操作的支持。通过使用Future、Callback等机制，可以实现异步的IO操作，使得程序可以在数据读取或写入的同时执行其他任务。

11.多路复用：

12.多路复用是NIO的一个重要特性，通过选择器可以实现同时管理多个通道的IO操作。这在高并发的网络应用中特别有用。

1. 三大组件

1.1 Channel & Buffer

channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层

常见的 Channel 有

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有

• ByteBuffer
  • MappedByteBuffer
  • DirectByteBuffer
  • HeapByteBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• CharBuffer

1.2 Selector

selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途

多线程版设计

⚠️ 多线程版缺点

• 内存占用高
• 线程上下文切换成本高 #cpu的线程是固定的,如果无限制增加线程处理请求会导致线程堵塞
• 只适合连接数少的场景

线程池版设计

⚠️ 线程池版缺点

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接 //线程池中线程固定
• 仅适合短连接场景 //http

selector 版设计

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下(不会因为单个线程的堵塞而失去效果)，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

2. ByteBuffer

有一普通文本文件 data.txt，内容为

1234567890abcd
1

使用 FileChannel 来读取文件内容

@Slf4j
public class ChannelDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {
            FileChannel channel = file.getChannel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            do {
                // 向 buffer 写入
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读到字节数：{}", len);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                // 切换 buffer 读模式
                buffer.flip();
                while(buffer.hasRemaining()) {
                    log.debug("{}", (char)buffer.get());
                }
                // 切换 buffer 写模式
                buffer.clear();
            } while (true);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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输出

10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：10
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1
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2.1 ByteBuffer 正确使用姿势

1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)

2. 调用 flip() 切换至读模式

3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()

4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式

5. 重复 1~4 步骤

   flip() 是 java.nio.ByteBuffer 类中的一个方法，它用于将缓冲区的当前读取位置设置为缓冲区的开始位置，并将缓冲区的大小调整为等于缓冲区剩余的字节数。

   在将缓冲区中的数据写入网络或文件之前，通常需要调用 flip() 方法，以便将缓冲区中的数据移动到读取位置。这样，下一次从缓冲区中读取数据时，就可以从缓冲区的开始位置开始读取

channel 和 buffer 分别是 java.nio.channels.Channel 和 java.nio.ByteBuffer 两个类。

Channel 类是 NIO 中的核心接口，它表示一个通信通道，如套接字、文件描述符等。它提供了一种将字节数据从一个地方读取到另一个地方的方法，可以用于网络编程、文件读写等场景。

ByteBuffer 类是 NIO 中的缓冲区类，它提供了一种高效的字节读写操作。它允许将字节数据从一个地方读取到另一个地方，同时提供了一些方法来改变当前读取和写入的位置，以及调整缓冲区的大小等。

channel.read(buffer) 语句表示从指定的 channel 中读取数据到 buffer 中。channel.read(buffer) 会尝试读取数据到 buffer 中，直到 buffer 中的字节数达到或超过 buffer.capacity() 或者读取到 EOF（表示读取到了流的末尾）。如果读取到了 EOF，则返回 -1，否则返回读取到的字节数。

这个语句的作用是将 channel 中的数据读取到 buffer 中，从而可以对读取到的数据进行处理。如果读取到了 EOF，说明已经读取到了流的末尾，可以关闭 channel 和 buffer，或者重新设置 buffer 的位置，以便读取下一部分数据。

2.2 ByteBuffer 结构

ByteBuffer 有以下重要属性

• capacity
• position
• limit

一开始

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制

读取 4 个字节后，状态

clear 动作发生后，状态

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

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