NIO目录

一、NIO编程
二、NIO类库和相关概念
- 缓冲区Buffer
- 通道Channel
- 多路复用器Selector
三、NIO服务端流程分析
四、NIO客户端流程分析
五、NIO编程的优点
源码
- TimeServer
- MultiplexerTimeServer
- TimeClient
- TimeClientHandle

一、NIO编程

NIO有两种叫法：有人称之为New I/O；更多的人喜欢称之为Non-block I/O：非阻塞I/O，后者更能体现NIO的特点。
与Socket和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞与非阻塞两种模式。一般来说：低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞I/O以降低编程复杂度；对于高负载、高并发的应用程序，需要使用NIO的非阻塞模式进行开发。

二、NIO类库和相关概念

在Java1.4之前的早期版本，Java对I/O的支持并不完善，开发人员在开发高性能I/O程序的时候，会面临一些巨大的挑战和困难。主要问题如下：

没有数据缓冲区，I/O性能存在问题。
没有Channel通道的概念，只有输入和输出流。
同步阻塞式I/O通信(BIO),通常会导致通信线程被长时间阻塞。
支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

NIO 主要有三大核心部分:Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统 IO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel 和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别是，IO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。

缓冲区Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据，在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原来I/O的一个重要区别。在面向流的IO中，可以将数据直接写入或者将数据直接得到Stream对象中。
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的，在读取数据时，他是直接读到缓冲区的；在写入数据时，写入带缓冲区中，任何时候访问NIO中的数据都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组（ByteBuffer）,也可以使用其他种类的数组，但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。
最常用的是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组，每一种Java基本类型都对应有一种缓冲区（除了Boolean）。
ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。

通道Channel

Channel是一个通道。它就像一个自来水管一样，网络数据通过Channel都读取和写入。通道和流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类）。而通道可以用于读、写或者二者同时进行。Channel是双全工的。同时支持读写操作。

多路复用器Selector

多路复用器Selector是JavaNIO编程的基础。简单来讲：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectorKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成百上千的客户端。

三、NIO服务端流程分析

打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道。
绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式。
创建Reactor线程创建多路复用器Selector并启动线程。
将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件。
多路复用器Selector在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的Key。
多路复用器Selector监听到有新的客户端接入，处理新的请求，完成TCP三次握手，建立物理链路。
设置客户端链路为非阻塞模式。
将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作。
异步读取客户端请求消息到缓冲区。
对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。

四、NIO客户端流程分析

打开SocketChannel，绑定客户端本地地址。
设置SocketChannel为非阻塞模式。同时设置客户端连接的TCP参数
异步连接服务端
判断连接是否成功。如果连接成功，则直接注册读状态位到多路复用器Selector中，如果当前没有连接成功（异步连接，返回false，说明客户端已经发送sync包，服务端没有返回ack包，物理链路还没有建立）
向Reactor线程的多路复用器注册OP_CONNECT状态位,监听服务端的TCP ACK应答。
创建Reactor线程，创建多路复用器Selector并启动线程。
多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的key。
接收connect事件进行处理。
判断连接结果，如果连接成功，注册读事件到多路复用器。
异步读客户端请求消息到缓冲区。
对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息接收缓冲区Reset，继续读取后续的提交，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口将消息异步发送给客户端。

五、NIO编程的优点

NIO编程的难度确实比同步阻塞的BIO编程大很多。我们的NIO实例没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码将会更加复杂，既然代码这么复杂，为什么它的应用却越来越广泛呢？使用NIO编程的优点总结如下：

客户端发起的连接时异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之的客户端那样被同步阻塞。
SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样IO通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用。
线程模型的优化，由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降，因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

源码

TimeServer

创建一个多路复用类（MultiplexerTimeServer）,是一个独立负责的线程，负责轮询多路复用器Selector，可以处理多个客户端的并发接入。

public class TimeServer { 
    public static void main(String[] args) { 
        int port = 8080;
        MultiplexerTimeServer timeServer =  new MultiplexerTimeServer(port);
        new Thread(timeServer,"NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    }

}

MultiplexerTimeServer

package com.lsh.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/** * @author ：LiuShihao * @date ：Created in 2021/3/1 12:03 下午 * @desc ：NIO时间服务器 MulitiplexerTimeServer 多路复用器 * 它是一个独立的线程，负责轮询多路复用器Selector，可以处理多个客户端的并发接入。 */
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable{ 
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverChannel;
private volatile boolean stop;
/** * 初始化多路复用器 绑定监听端口 * 创建多路复用器Selector、ServerSocketChannel * 对Channel和TCP参数进行配置 * @param port */
public MultiplexerTimeServer(int port) { 
try { 
//创建Reactor线程，创建多路复用器
selector = Selector.open();
//打开ServerSocketChannel,用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
//将Channel设置为异步非阻塞模式，他的backlog设置为1024
serverChannel.configureBlocking(false);
//绑定监听接口
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
//将ServerSockrtChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("The time server is start in port :"+port);
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace();
//如果资源初始化失败，如端口被占用，则退出
System.exit(1);
}
}
public void stop(){ 
this.stop = true;
}
@Override
public void run() { 
/** * 多路复用器在run方法的无限循环体中内轮询准备就绪的key * 在while循环体中，循环遍历selector，休眠时间为1秒，无论是否有读写时间发生，selector每隔1s都被唤醒1次 * 当有处于就绪状态的Channel时，selector将返回该Channel的SelectionKey集合，通过对就绪状态的Channel集合进行迭代，可以进行网络的异步读写操作。 */
while(!stop){ 
try { 
selector.select(1000);
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){ 
key = it.next();
it.remove();
try{ 
handlerInput(key);
}catch (Exception e){ 
if (key != null){ 
key.cancel();
if (key.channel() != null){ 
key.channel().close();
}
}
}
}
} catch (Throwable t) { 
t.printStackTrace();
}
}
//多路复用器关闭 后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动用去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
if (selector != null){ 
try { 
selector.close();
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace();
}
}
}
/** * 根据SelectorKey的操作位进行判断即可获知网络时间的类型， * @param key * @throws IOException */
private void handlerInput(SelectionKey key) throws IOException{ 
if (key.isValid()){ 
//处理新接入的消息请求
if (key.isAcceptable()){ 
//Accept the new connection
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
//通过ServerSocketChannel的accept接收客户端的链接请求并创建SocketChannel实例,相当于完成了TCP的三次握手，TCP物理链路正式建立。
SocketChannel sc = ssc.accept();
//需要将新创建的SocketChannel设置为异步非阻塞，同时也可以对其TCP参数进行设置，例如TCP接收和发送缓冲区的大小等，但作为入门的例子，没有进行额外的参数设置。
sc.configureBlocking(false);
// Add the new connection to the selector
//将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息。
sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
}
if (key.isReadable()){ 
//Read the data
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 异步读取客户端消息到缓冲区
int readBytes = sc.read(readBuffer);
if (readBytes > 0){ 
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
readBuffer.get(bytes);
String body = new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println("The time server receive order :"+body);
String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
doWrite(sc,currentTime);
} else if (readBytes < 0 ){ 
//对端链路关闭
key.cancel();
sc.close();
}else { 
;//读到0字节，忽略
}
}
}
}
private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException{ 
if (response != null && response.trim().length() > 0 ){ 
//将消息encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。
byte[] bytes = response.getBytes();
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
writeBuffer.put(bytes);
writeBuffer.flip();
channel.write(writeBuffer);
}
}
}

TimeClient

public class TimeClient { 
public static void main(String[] args) { 
int port = 8080;
//通过创建TimeClient线程来处理异步连接和读写操作
new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1",port),"TimeClinet-001").start();
}
}

TimeClientHandle

package com.lsh.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/** * @author ：LiuShihao * @date ：Created in 2021/3/1 2:18 下午 * @desc ：NIO时间服务器客户端 Handle */
public class TimeClientHandle  implements Runnable { 
private String host;
private int port;
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private volatile  boolean stop;
public TimeClientHandle(String host, int port) { 
this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
this.port = port;
try { 
selector = Selector.open();
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
} catch (IOException e) { 
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
@Override
public void run() { 
try{ 
doConnect();
}catch (Exception e){ 
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
while(!stop){ 
try{ 
selector.select(1000);
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
SelectionKey key = null;
while(it.hasNext()){ 
key = it.next();
it.remove();
try{ 
handleInput(key);
}catch (Exception e){ 
if (key != null){ 
key.cancel();
if (key.channel() != null){ 
key.channel().close();
}
}
}
}
}catch (Exception e){ 
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
}
// 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pige等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重读释放资源。
if (selector != null){ 
try{ 
selector.close();
}catch (Exception e){ 
e.printStackTrace();
}
}
}
private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{ 
if (key.isValid()){ 
//判断是否连接成功
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
if (key.isConnectable()){ 
if (sc.finishConnect()){ 
sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
doWrite(sc);
}else { 
//连接失败，进程退出
System.exit(1);
}
}
if (key.isReadable()){ 
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readBytes = sc.read(readBuffer);
if (readBytes > 0 ){ 
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
readBuffer.get(bytes);
String body = new String(bytes,"UTF-8");
System.out.println("Now is :"+body);
this.stop = true;
} else if (readBytes < 0 ){ 
key.cancel();
sc.close();
}else { 
;//读到0字节，忽略
}
}
}
}
private void doConnect() throws IOException{ 
//如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){ 
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
doWrite(socketChannel);
}else { 
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
}
}
private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException{ 
byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
writeBuffer.put(req);
writeBuffer.flip();
sc.write(writeBuffer);
if (!writeBuffer.hasRemaining()){ 
System.out.println("Send order 2 server succeed.");
}
}
}

本文地址：https://blog.csdn.net/DreamsArchitects/article/details/113934075

Netty权威指南（二）NIO模型