【死磕NIO】— NIO基础详解
Netty 是基于Java NIO 封装的网络通讯框架，只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底层设计。Java NIO 由三个核心组件组件：
Buffer
Channel
Selector
缓冲区 Buffer
Buffer 是一个数据对象，我们可以把它理解为固定数量的数据的容器，它包含一些要写入或者读出的数据。
在 Java NIO 中，任何时候访问 NIO 中的数据，都需要通过缓冲区（Buffer）进行操作。读取数据时，直接从缓冲区中读取，写入数据时，写入至缓冲区。NIO 最常用的缓冲区则是 ByteBuffer。下图是 Buffer 继承关系图：
每一个 Java 基本类型都对应着一种 Buffer，他们都包含这相同的操作，只不过是所处理的数据类型不同而已。
通道 Channel
Channel 是一个通道，它就像自来水管一样，网络数据通过 Channel 这根水管读取和写入。传统的 IO 是基于流进行操作的，Channle 和类似，但又有些不同：
| 区别 | 流 | 通过Channel |
|---|---|---|
| 支持异步 | 不支持 | 支持 |
| 是否可双向传输数据 | 不能，只能单向 | 可以，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据 |
| 是否结合 Buffer 使用 | 不 | 必须结合 Buffer 使用 |
| 性能 | 较低 | 较高 |
正如上面说到的，Channel 必须要配合 Buffer 一起使用，我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中，同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中，如下：
简单点说，Channel 是数据的源头或者数据的目的地，用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据，并且对 I/O 提供异步支持。
下图是 Channel 的类图
Channel 为最顶层接口，所有子 Channel 都实现了该接口，它主要用于 I/O 操作的连接。定义如下：
public interface Channel extends Closeable {
/**
* 判断此通道是否处于打开状态。
*/
public boolean isOpen();
/**
*关闭此通道。
*/
public void close() throws IOException;
}
最为重要的Channel实现类为：
FileChannel：一个用来写、读、映射和操作文件的通道
DatagramChannel：能通过 UDP 读写网络中的数据
SocketChannel: 能通过 TCP 读写网络中的数据
ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，像 Web 服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel
多路复用器 Selector
多路复用器 Selector，它是 Java NIO 编程的基础，它提供了选择已经就绪的任务的能力。从底层来看，Selector 提供了询问通道是否已经准备好执行每个 I/O 操作的能力。简单来讲，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel，如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，进行后续的 I/O 操作。
Selector 允许一个线程处理多个 Channel ，也就是说只要一个线程复杂 Selector 的轮询，就可以处理成千上万个 Channel ，相比于多线程来处理势必会减少线程的上下文切换问题。下图是一个 Selector 连接三个 Channel ：
实例
服务端
public class NIOServer {
/*接受数据缓冲区*/
private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
/*发送数据缓冲区*/
private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
private Selector selector;
public NIOServer(int port) throws IOException {
// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 检索与此通道关联的服务器套接字
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
// 进行服务的绑定
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
// 通过open()方法找到Selector
selector = Selector.open();
// 注册到selector，等待连接
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("Server Start----:");
}
private void listen() throws IOException {
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
iterator.remove();
handleKey(selectionKey);
}
}
}
private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
// 接受请求
ServerSocketChannel server = null;
SocketChannel client = null;
String receiveText;
String sendText;
int count=0;
// 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。
if (selectionKey.isAcceptable()) {
// 返回为之创建此键的通道。
server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
// 接受到此通道套接字的连接。
// 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。
client = server.accept();
// 配置为非阻塞
client.configureBlocking(false);
// 注册到selector，等待连接
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectionKey.isReadable()) {
// 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
//将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear();
//读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count = client.read(receivebuffer);
if (count > 0) {
receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if (selectionKey.isWritable()) {
//将缓冲区清空以备下次写入
sendbuffer.clear();
// 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
sendText="message from server--";
//向缓冲区中输入数据
sendbuffer.put(sendText.getBytes());
//将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip();
//输出到通道
client.write(sendbuffer);
System.out.println("服务器端向客户端发送数据--："+sendText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port = 8080;
NIOServer server = new NIOServer(port);
server.listen();
}
}
客户端
public class NIOClient {
/*接受数据缓冲区*/
private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
/*发送数据缓冲区*/
private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 打开socket通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 设置为非阻塞方式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 打开选择器
Selector selector = Selector.open();
// 注册连接服务端socket动作
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
// 连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
Set<SelectionKey> selectionKeys;
Iterator<SelectionKey> iterator;
SelectionKey selectionKey;
SocketChannel client;
String receiveText;
String sendText;
int count=0;
while (true) {
//选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
//此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
selector.select();
//返回此选择器的已选择键集。
selectionKeys = selector.selectedKeys();
//System.out.println(selectionKeys.size());
iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
selectionKey = iterator.next();
if (selectionKey.isConnectable()) {
System.out.println("client connect");
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
// 判断此通道上是否正在进行连接操作。
// 完成套接字通道的连接过程。
if (client.isConnectionPending()) {
client.finishConnect();
System.out.println("完成连接!");
sendbuffer.clear();
sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());
sendbuffer.flip();
client.write(sendbuffer);
}
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectionKey.isReadable()) {
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
//将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear();
//读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count=client.read(receivebuffer);
if(count>0){
receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if (selectionKey.isWritable()) {
sendbuffer.clear();
client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
sendText = "message from client--";
sendbuffer.put(sendText.getBytes());
//将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip();
client.write(sendbuffer);
System.out.println("客户端向服务器端发送数据--："+sendText);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
}
selectionKeys.clear();
}
}
}
运行结果
