java nio 基础用法

传统的io模型问题： 

在传统的IO模型中，每个连接创建成功之后都需要一个线程来维护，每个线程包含一个while死循环，那么1w个连接对应1w个线程，继而1w个while死循环，这就带来如下几个问题：

1. 线程资源受限：线程是操作系统中非常宝贵的资源，同一时刻有大量的线程处于阻塞状态是非常严重的资源浪费，操作系统耗不起
2. 线程切换效率低下：单机cpu核数固定，线程爆炸之后操作系统频繁进行线程切换，应用性能急剧下降。
3. 除了以上两个问题，IO编程中，我们看到数据读写是以字节流为单位，效率不高。

NIO编程模型

NIO编程模型中，新来一个连接不再创建一个新的线程，而是可以把这条连接直接绑定到某个固定的线程，然后这条连接所有的读写都由这个线程来负责，那么他是怎么做到的？我们用一幅图来对比一下IO与NIO

如上图所示，IO模型中，一个连接来了，会创建一个线程，对应一个while死循环，死循环的目的就是不断监测这条连接上是否有数据可以读，大多数情况下，1w个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读，因此，很多个while死循环都白白浪费掉了，因为读不出啥数据。

而在NIO模型中，他把这么多while死循环变成一个死循环，这个死循环由一个线程控制，那么他又是如何做到一个线程，一个while死循环就能监测1w个连接是否有数据可读的呢？
这就是NIO模型中selector的作用，一条连接来了之后，现在不创建一个while死循环去监听是否有数据可读了，而是直接把这条连接注册到selector上，然后，通过检查这个selector，就可以批量监测出有数据可读的连接，进而读取数据，下面我再举个非常简单的生活中的例子说明IO与NIO的区别。

在一家幼儿园里，小朋友有上厕所的需求，小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所，他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友，有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题：

1. 每个小朋友配一个老师。每个老师隔段时间询问小朋友是否要上厕所，如果要上，就领他去厕所，100个小朋友就需要100个老师来询问，并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去上，这就是IO模型，一个连接对应一个线程。
2. 所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所，然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所，这就是NIO模型，所有小朋友都注册到同一个老师，对应的就是所有的连接都注册到一个线程，然后批量轮询。

这就是NIO模型解决线程资源受限的方案，实际开发过程中，我们会开多个线程，每个线程都管理着一批连接，相对于IO模型中一个线程管理一条连接，消耗的线程资源大幅减少

由于NIO模型中线程数量大大降低，线程切换效率因此也大幅度提高

NIO解决这个问题的方式是数据读写不再以字节为单位，而是以字节块为单位。IO模型中，每次都是从操作系统底层一个字节一个字节地读取数据，而NIO维护一个缓冲区，每次可以从这个缓冲区里面读取一块的数据，
这就好比一盘美味的豆子放在你面前，你用筷子一个个夹（每次一个），肯定不如要勺子挖着吃（每次一批）效率来得高。

一、Buffer demo

      public class BufferTest {
      public static void main(String[] args) {
      //静态方法常见 buffer
       IntBuffer buf = IntBuffer.allocate(10);
      int[] array = new int[]{3, 5, 1};
      //put一个数组到buffer中，使用put方式将
      // buf.put(array);
      //使用wrap方式会直接更改原数组
       buf = buf.wrap(array);
      //IntBuffer.wrap(array, 0, 2);
       buf.put(0, 7);
      int length = buf.limit();
      for (int i = 0; i < length; i++) {
       System.out.print(buf.get(i));
       }
      for (int i = 0; i < array.length; i++) {
       System.out.print(array[i]);
       }
       System.out.println(buf);
      /**
       * limit = position;
       * position = 0;
       */
       buf.flip();
      /**
       * position = 0;
       * limit = capacity;
       */
       buf.clear();
       System.out.println(buf);
      //创建一个新的字节缓冲区，共享此缓冲区的内容
       IntBuffer newBuffer = buf.duplicate();
       System.out.println(newBuffer);
       }
      }
  
 

二、FileChannel demo

      public class FileChannelTest {
      public static void testFileChannel() throws IOException {
       RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("D:/nio-data.txt", "rw");
       FileChannel channel = aFile.getChannel();
      //分配一个新的缓冲区
       ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(48);
      int bytesRead = channel.read(allocate);
      while (bytesRead != -1) {
       System.out.println("Read " + bytesRead);
       allocate.flip();
      while (allocate.hasRemaining()) {
       System.out.print((char) allocate.get());
       }
       allocate.clear();
       bytesRead = channel.read(allocate);
       }
       aFile.close();
       }
      public static void fileChannelDemo() throws IOException {
      //定义一个byteBuffer
       ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
       FileChannel inputChannel = new FileInputStream("D:/nio-data.txt").getChannel();
       FileChannel outputChannel = new FileOutputStream("D:/nio-data.txt", true).getChannel();
      //读取数据
       byteBuffer.clear();
      int len = inputChannel.read(byteBuffer);
       System.out.println(new String(byteBuffer.array(), "UTF-8"));
       System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len, "UTF-8"));
       ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.wrap("奥会计师八度空间".getBytes());
       outputChannel.write(byteBuffer2);
       outputChannel.close();
       inputChannel.close();
       }
      public static void main(String[] args) {
      try {
       FileChannelTest.fileChannelDemo();
       } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
       }
       }
      }
  
 

 三、不使用 选择器 selector 的 ServerSocketChannel 和 SocketChannel  的demo

服务端：

      public class NioChannelServer {
      private ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      //获取一个intBuffer视图，操作视图的同时原缓冲区也会改变
      private IntBuffer intBuffer = byteBuffer.asIntBuffer();
      private SocketChannel socketChannel = null;
      private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
      /**
       * 打开服务端的通道
       *
       * @throws Exception
       */
      public void openChannel() throws Exception {
       serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
       serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
       System.out.println("服务端通道已经打开");
       }
      /**
       * 等待新的连接
       *
       * @throws Exception
       */
      public void waitReqConn() throws Exception {
      while (true) {
       socketChannel = serverSocketChannel.accept();
      if (null != socketChannel) {
       System.out.println("新的连接加入！");
       }
      //处理请求
       processReq();
       socketChannel.close();
       }
       }
      private void processReq() throws IOException {
       System.out.println("开始读取和处理客户端数据。。");
       byteBuffer.clear();
       socketChannel.read(byteBuffer);
      int result = intBuffer.get(0) + intBuffer.get(1);
       byteBuffer.flip();
       byteBuffer.clear();
      //修改视图，byteBuffer也会变化
       intBuffer.put(0, result);
       socketChannel.write(byteBuffer);
       System.out.println("读取处理完成");
       }
      public void start() {
      try {
      //打开通道
       openChannel();
      //等待客户端连接
       waitReqConn();
       socketChannel.close();
       System.out.println("服务端处理完毕");
       } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
       }
       }
      public static void main(String[] args){
      new NioChannelServer().start();
       }
      }
  
 

客户端：

      public class NioChannelClient {
      private SocketChannel socketChannel = null;
      private ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(8);
      private IntBuffer intBuffer = buff.asIntBuffer();
      public SocketChannel connect() throws IOException {
      return SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
       }
      public int getSum(int a, int b) {
      int result = 0;
      try {
       socketChannel = connect();
       sendRequest(a, b);
       result = receiveResult();
       } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
       }
      return result;
       }
      private int receiveResult() throws IOException {
       buff.clear();
       socketChannel.read(buff);
      return intBuffer.get(0);
       }
      private void sendRequest(int a, int b) throws IOException {
       buff.clear();
       intBuffer.put(0,a);
       intBuffer.put(1,b);
       socketChannel.write(buff);
       System.out.println("客户端发送请求 ("+a+"+"+b+")");
       }
      public static void main(String[] args){
       Random random = new Random();
      for (int i = 0; i <10 ; i++) {
      int result = new NioChannelClient().getSum(random.nextInt(100),random.nextInt(100));
       System.out.println(result);
       }
       }
      }
  
 

四、使用 selector 方式 实现 ServerSocketChannel  和 SocketChannel

选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel，selector 是非阻塞 IO 的核心。

选择器（Selector）的应用：

当通道使用register（Selector sel, int ops）方法将通道注册选择器时，选择器对通道事件进行监听，通过第二个参数指定监听的事件类型。

其中可监听的事件类型包括以下：

　　读 : SelectionKey.OP_READ （1）

　　写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

　　连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

　　接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

如果需要监听多个事件是：

　　int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ; //表示同时监听读写操作

服务端：

      public class SelectorServer {
      private Selector selector = null;
      private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
      private int keys = 0;
      public void initServer() throws IOException {
       selector = Selector.open();
       serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
       serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
       serverSocketChannel.configureBlocking(false);
      //服务端通道注册accept事件
       serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
       }
      private void listen() throws IOException {
       System.out.println("服务端已经启动");
      while (true) {
      //让通道选择器至少选择一个通道,阻塞的方法
       keys = this.selector.select();
      //selector.wakeup();//可以唤醒阻塞的select()方法
      //设置超时时间，非阻塞
      //this.selector.select(1000);
       System.out.println(keys);
       Iterator<SelectionKey> itor = this.selector.selectedKeys().iterator();
      if (keys > 0) {
      //进行轮询
      while (itor.hasNext()) {
      try{
       SelectionKey key = itor.next();
      if (key.isAcceptable()) {
      //serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
      //获取和客户端连接的服务端渠道
       SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();
       channel.configureBlocking(false);
       channel.write(ByteBuffer.wrap("hello".getBytes()));
      //还需要读取客户端发过来的数据，所以需要注册一个读取数据的事件
       channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
       } else if (key.isReadable()) {
       read(key);
       }
       }finally {
      //处理完一个key，就删除，防止重复处理
       itor.remove();
       }
       }
       } else {
       System.out.println("select finished without any keys");
       }
       }
       }
      private void read(SelectionKey key) throws IOException {
       SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
       ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      int len = socketChannel.read(byteBuffer);
       String msg = new String(byteBuffer.array(), 0, len);
       System.out.println("服务端接收到的消息是" + msg);
       }
      public void start() {
      try {
       initServer();
       listen();
       } catch (IOException e) {
       e.printStackTrace();
       }
       }
      public static void main(String[] args) {
      new SelectorServer().start();
       }
      }
  
 

客户端：

      public class SelectorClient {
      private Selector selector;
      private ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      private ByteBuffer inputBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      private int keys = 0;
      private SocketChannel socketChannel = null;
      public void initClient() throws IOException {
       selector = Selector.open();
       socketChannel = SocketChannel.open();
      //客户端通道配置为非阻塞
       socketChannel.configureBlocking(false);
      //连接服务端
       socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
      //注册客户端连接服务器的事件
       socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
       }
      private void listen() throws IOException {
      while (true) {
       keys = this.selector.select();
       System.out.println(keys);
      if (keys > 0) {
       Iterator<SelectionKey> iter = this.selector.selectedKeys().iterator();
      while (iter.hasNext()) {
      try{
       SelectionKey key = iter.next();
      if (key.isConnectable()) {
       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
      if (channel.isConnectionPending()) {
       channel.finishConnect();
       System.out.println("完成连接");
       }
      //连接完成之后，肯定还要做其它的事情，比如写
       channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
       } else if (key.isWritable()) {
       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
       outBuffer.clear();
       System.out.println("客户端正在写数据。。");
      //从控制台写消息
       Scanner scanner = new Scanner(System.in);
      while (true) {
       String msg = scanner.next();
       channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
      if("end".equals(msg)) {
      break;
       }
       }
       channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
       System.out.println("客户端写数据完成。。。");
       } else if (key.isReadable()) {
       SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
       inputBuffer.clear();
      int len = socketChannel.read(inputBuffer);
       System.out.println("读取服务端发送的消息：" + new String(inputBuffer.array()));
       }
       }finally{
       iter.remove();
       }
       }
       } else {
       System.out.println("select finished without any keys");
       }
       }
       }
      public void start() {
      try {
       initClient();
       listen();
       } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
       }
       }
      public static void main(String[] args){
      new SelectorClient().start();
       }
      }
  
 

nio的非阻塞是对于网络通道来说的，需要使用Channel.configureBlocking(false)来设置通道为非阻塞的，如果没设置，默认是阻塞的。 

文章来源: blog.csdn.net，作者：血煞风雨城2018，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

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