2.4 NIO

在NIO（Nonblocking IO，非阻塞IO）出現(xiàn)之前，Java是通過傳統(tǒng)的Socket來實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)通信功能的。以服務(wù)端為例，其實(shí)現(xiàn)基本流程如圖2-3所示。

如果客戶端還沒有對(duì)服務(wù)端發(fā)起連接請(qǐng)求，那么accept就會(huì)阻塞[阻塞指的是暫停一個(gè)線程的執(zhí)行以等待某個(gè)條件發(fā)生（例如某資源就緒）]。如果連接成功，當(dāng)數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好的時(shí)候，對(duì)read的調(diào)用同樣會(huì)阻塞。當(dāng)要處理多個(gè)連接的時(shí)候，就需要采用多線程的方式，由于每個(gè)線程都擁有自己的棧空間，而且由于阻塞會(huì)導(dǎo)致大量線程進(jìn)行上下文切換，使得程序的運(yùn)行效率非常低下。因此在J2SE1.4中引入了NIO來解決這個(gè)問題。

NIO通過Selector、Channels和Buffers來實(shí)現(xiàn)非阻塞的IO操作。NIO是指New I/O，既然有New I/O，那么就會(huì)有Old I/O，Old I/O是指基于流的I/O方法。NIO是在Java 1.4中被納入JDK中的，它最主要的特點(diǎn)是，提供了基于Selector的異步網(wǎng)絡(luò)I/O，使得一個(gè)線程可以管理多個(gè)連接。下面給出基于NIO處理多個(gè)連接的結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4所示。

在介紹NIO的原理之前，首先介紹幾個(gè)重要的概念：Channel（通道）、Buffer（緩沖區(qū)）和Selector（選擇器）。

（1）Channel（通道）

為了更容易地理解什么是Channel，這里以InputStream為例來介紹什么是Channel。傳統(tǒng)的IO中經(jīng)常使用下面的代碼來讀取文件（此處忽略異常處理）：

InputStream其實(shí)就是一個(gè)用來讀取文件的通道。只不過InputStrem是一個(gè)單向的通道，只能用來讀取數(shù)據(jù)。而NIO中的Channel是一個(gè)雙向的通道，不僅能讀取數(shù)據(jù)，而且還能寫入數(shù)據(jù)。

（2）Buffer（緩沖區(qū)）

在上面的示例代碼中，InputStream把讀取到的數(shù)據(jù)放在了byte數(shù)組中，如果用OutputStream寫數(shù)據(jù)，那么也可以把byte數(shù)組中的數(shù)據(jù)寫到文件中。而在NIO中，數(shù)據(jù)只能被寫到Buffer中，同理讀取的數(shù)據(jù)也只能放在Buffer中，由此可見Buffer是Channel用來讀寫數(shù)據(jù)的非常重要的一個(gè)工具。

（3）Selector（選擇器）

Selector是NIO中最重要的部分，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程管理多個(gè)連接的關(guān)鍵，它的作用就是輪詢所有被注冊(cè)的Channel，一旦發(fā)現(xiàn)Channel上被注冊(cè)的事件發(fā)生，就可以對(duì)這個(gè)事件進(jìn)行處理。

2.4.1 Buffer

在Java NIO中，Buffer主要的作用就是與Channel進(jìn)行交互。它本質(zhì)上是一塊可讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存，這塊內(nèi)存中有很多可以存儲(chǔ)byte、int、char等的小單元。這塊內(nèi)存被包裝成NIO Buffer對(duì)象，并提供了一組方法，來簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的讀寫。在Java NIO中，核心的Buffer有7類，如圖2-5所示。

為了更好地理解上面四個(gè)步驟，下面將重點(diǎn)介紹Buffer中幾個(gè)非常重要的屬性：capacity、position和limit。

1）capacity用來表示Buffer的容量，也就是剛開始申請(qǐng)的Buffer的大小。

2）position表示下一次讀（寫）的位置。

在寫數(shù)據(jù)到Buffer中時(shí)，position表示當(dāng)前可寫的位置。初始的position值為0。當(dāng)寫入一個(gè)數(shù)據(jù)（例如int或short）到Buffer后，position會(huì)向前移動(dòng)到下一個(gè)可插入數(shù)據(jù)的Buffer單元。position最大的值為capacity-1。

在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，也是從某個(gè)位置開始讀。當(dāng)從Buffer的position處讀取數(shù)據(jù)完成時(shí)，position也會(huì)從向前位置移動(dòng)到下一個(gè)可讀的位置。

buffer從寫入模式變?yōu)樽x取模式時(shí)，position會(huì)歸零，每次讀取后，position向后移動(dòng)。

3）limit表示本次讀（寫）的極限位置。

在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，limit表示最多能往Buffer里寫入多少數(shù)據(jù)，它等同于buffer的容量。

在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，limit表示最多能讀到多少數(shù)據(jù)，也就是說position移動(dòng)到limit時(shí)讀操作會(huì)停止。它的值等同于寫模式下position的位置。

為了更容易地理解這三個(gè)屬性之間的關(guān)系，下面通過圖2-6來說明。

從上圖可以看出，在寫模式中，position表示下一個(gè)可寫入位置，一旦切換到讀模式，position就會(huì)置0（可以從Buffer最開始的地方讀數(shù)據(jù)），而此時(shí)這個(gè)Buffer的limit就是在讀模式下的position，因?yàn)樵趐osition之后是沒有數(shù)據(jù)的。

在理解了Buffer的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理后，下面重點(diǎn)介紹如何使用Buffer。

（1）申請(qǐng)Buffer

在使用Buffer前必須先申請(qǐng)一塊固定大小的內(nèi)存空間來供Buffer使用，這個(gè)工作可以通過Buffer類提供的allocate()方法來實(shí)現(xiàn)。例如：

（2）向Buffer中寫數(shù)據(jù)

可以通過Buffer的put方法來寫入數(shù)據(jù)，也可以通過Channel向Buffer中寫數(shù)據(jù)，例如：

（3）讀寫模式的轉(zhuǎn)換

Buffer的flip()方法用來把Buffer從寫模式轉(zhuǎn)換為讀模式，flip方法的底層實(shí)現(xiàn)原理為：把position置0，并把Buffer的limit設(shè)置為當(dāng)前的position值。

（4）從Buffer中讀取數(shù)據(jù)

與寫數(shù)據(jù)類似，讀數(shù)據(jù)也有兩種方式，分別為：通過Buffer的get方法讀取，或從buffer中讀取數(shù)據(jù)到Channel中。例如：

當(dāng)完成數(shù)據(jù)的讀取后，需要調(diào)用clear()或compact()方法來清空Buffer，從而實(shí)現(xiàn)Buffer的復(fù)用。這兩個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)原理為：clear()方法會(huì)把position置0，把limit設(shè)置為capacity；由此可見，如果Buffer中還有未讀的數(shù)據(jù)，那么clear()方法也會(huì)清理這部分?jǐn)?shù)據(jù)。如果想保留這部分未讀的數(shù)據(jù)，那么就需要調(diào)用compact()方法。下面以IntBuffer為例介紹compact()方法的實(shí)現(xiàn)原理：

將緩沖區(qū)當(dāng)前位置和界限之間的int（如果有）復(fù)制到緩沖區(qū)的開始處。即將索引p=position()處的int復(fù)制到索引0處，將索引p+1處的int復(fù)制到索引1處，依此類推，直到將索引limit()-1處的int復(fù)制到索引n=limit()-1-p處。然后將緩沖區(qū)的位置設(shè)置為n+1，并將其界限設(shè)置為其容量。如果已定義了標(biāo)記，那么丟棄它。

（5）重復(fù)讀取數(shù)據(jù)

Buffer還有另外一個(gè)重要的重復(fù)讀取數(shù)據(jù)的方法：rewind()，它的實(shí)現(xiàn)原理如下：只把position的值置0，而limit保持不變，使用rewind()方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Buffer中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)的讀取。

由此可見在NIO中使用Buffer的時(shí)候，通常都需要遵循如下4個(gè)步驟：

1）向Buffer中寫入數(shù)據(jù)。

2）調(diào)用flip()方法把Buffer從寫模式切換到讀模式。

3）從Buffer中讀取數(shù)據(jù)。

4）調(diào)用clear()方法或compact()方法來清空Buffer。

（6）標(biāo)記與復(fù)位。

Buffer中還有兩個(gè)非常重要的方法：mark()和reset()。mark()方法用來標(biāo)記當(dāng)前的position，一旦標(biāo)記完成，在任何時(shí)刻都可以使用reset()方法來把position恢復(fù)到標(biāo)記的值。

2.4.2 Channel

在NIO中，數(shù)據(jù)的讀寫都是通過Channel（通道）來實(shí)現(xiàn)的。Channel與傳統(tǒng)的“流”非常類似，只不過Channel不能直接訪問數(shù)據(jù)，而只能與Buffer進(jìn)行交互，也就是說Channel只能通過buffer來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。如圖2-7所示。

雖然通道與流有很多相似的地方，但是它們也有很多區(qū)別，下面主要介紹3個(gè)區(qū)別：

1）通道是雙向的，既可以讀也可以寫。但是大部分流都是單向的，只能讀或者寫。

2）通道可以實(shí)現(xiàn)異步的讀寫，大部分流只支持同步的讀寫。

3）通道的讀寫只能通過Buffer來完成。

在Java語(yǔ)言中，主要有以下4個(gè)常見的Channel的實(shí)現(xiàn)：

1）FileChannel：用來讀寫文件；

2）DatagramChannel：用來對(duì)UDP的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫；

3）SocketChannel：用來對(duì)TCP的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，一般用作客戶端實(shí)現(xiàn)；

4）ServerSocketChannel：用來監(jiān)聽TCP的連接請(qǐng)求，然后針對(duì)每個(gè)請(qǐng)求會(huì)創(chuàng)建一個(gè)SocketChannel，一般被用作服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。

下面通過一個(gè)例子來介紹FileChannel的使用方法：

程序的運(yùn)行結(jié)果為：

2.4.3 Selector

Selector表示選擇器或者多路復(fù)用器。它主要的功能為輪詢檢查多個(gè)通道的狀態(tài)，判斷通道注冊(cè)的事件是否發(fā)生，也就是說判斷通道是否可讀或可寫。然后根據(jù)發(fā)生事件的類型對(duì)這個(gè)通道做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。由此可見，一個(gè)Selector完全可以用來管理多個(gè)連接，由此大大提高了系統(tǒng)的性能。這一節(jié)將重點(diǎn)介紹Selector的使用方法。

（1）創(chuàng)建Selector

Selector的創(chuàng)建非常簡(jiǎn)單，只需要調(diào)用Selector的靜態(tài)方法open就可以創(chuàng)建一個(gè)Selector，示例代碼如下所示：

一旦Selector被創(chuàng)建出來，接下來就需要把感興趣的Channel的事件注冊(cè)給Selector了。

（2）注冊(cè)Channel的事件到Selector

由于Selector需要輪詢多個(gè)Channel，因此注冊(cè)的Channel必須是非阻塞的。在注冊(cè)前需要使用下面的代碼來把channel注冊(cè)為非阻塞的。

配置完成后就可以使用下面的代碼來注冊(cè)感興趣的事件了：

需要注意的是，只有繼承了SelectableChannel或AbstractSelectableChannel的類才有configureBlocking這個(gè)方法。常用的SocketChannel和ServerSocketChannel都是繼承自AbstractSelectableChannel的，因此它們都有configureBlocking方法，可以注冊(cè)到Selector上。

register方法用來向給定的選擇器注冊(cè)此通道，并返回一個(gè)選擇鍵。

第一個(gè)參數(shù)表示要向其注冊(cè)此通道的選擇器；第二個(gè)參數(shù)表示的是感興趣的鍵的可用操作集，鍵的取值有下面四種或者是它們的組合（SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE）：

（3）SelectionKey

向Selector注冊(cè)Channel的時(shí)候，register方法會(huì)返回一個(gè)SelectionKey的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象表示了一個(gè)特定的通道對(duì)象和一個(gè)特定的選擇器對(duì)象之間的注冊(cè)關(guān)系。它主要包含如下的一些屬性：

1）interest集合。interest集合表示Selector對(duì)這個(gè)通道感興趣的事件的集合，通常會(huì)使用位操作來判斷Selector對(duì)哪些事件感興趣，如下例所示：

2）ready集合。ready集合是通道已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的操作的集合。在一次選擇(Selection)之后，會(huì)首先訪問這個(gè)ready集合。可以使用位操作來檢查某一個(gè)事件是否就緒。在實(shí)際編程中，經(jīng)常使用下面的方法來判斷事件是否就緒：

3）附加對(duì)象。可以把一個(gè)對(duì)象或者更多信息附著到SelectionKey上，這樣就能方便的識(shí)別某個(gè)給定的通道，有兩種方法來給SelectionKey添加附加對(duì)象：

（4）使用Selector選擇Channel

如果對(duì)Selector注冊(cè)了一個(gè)或多個(gè)通道，那么就可以使用select方法來獲取那些準(zhǔn)備就緒的通道（如果對(duì)讀事件感興趣，那么會(huì)返回讀就緒的通道；如果對(duì)寫事件感興趣，那么會(huì)獲取寫就緒的通道）。select方法主要有下面三種重載方式：

1）select()：選擇一組鍵，其相應(yīng)的通道已為I/O操作準(zhǔn)備就緒。此方法執(zhí)行處于阻塞模式的選擇操作。僅在至少選擇一個(gè)通道、調(diào)用此選擇器的wakeup方法，或者當(dāng)前的線程已中斷（以先到者為準(zhǔn)）后此方法才返回。

2）select(long timeout)：此方法執(zhí)行處于阻塞模式的選擇操作。僅在至少選擇一個(gè)通道、調(diào)用此選擇器的wakeup方法、當(dāng)前的線程已中斷，或者給定的超時(shí)期滿（以先到者為準(zhǔn)）后此方法才返回。

3）int selectNow()：此方法執(zhí)行非阻塞的選擇操作。如果自從前一次選擇操作后，沒有通道變成可選擇的，那么此方法直接返回零。

一旦select()方法的返回值表示有通道就緒了，此時(shí)就可以通過selector的selectedKeys()方法來獲取那些就緒的通道。示例代碼如下所示：

下面給出一個(gè)Selector簡(jiǎn)單的使用示例：

1）服務(wù)端代碼：

2）客戶端代碼：

2.4.4 AIO

從上面的介紹可以看出BIO使用同步阻塞的方式工作的，而NIO則使用的是異步阻塞的方式。對(duì)于NIO而言，它最重要的作用是當(dāng)一個(gè)連接創(chuàng)建后，不需要對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，這個(gè)連接會(huì)被注冊(cè)到多路復(fù)用器上面，所以所有的連接只需要一個(gè)線程就可以管理，當(dāng)這個(gè)線程中的多路復(fù)用器進(jìn)行輪詢的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)連接上有請(qǐng)求的話，才開啟一個(gè)線程進(jìn)行處理，也就是一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程模式。

在NIO的處理方式中，當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求來的話，開啟線程進(jìn)行處理，但是它仍然需要使用阻塞的方式讀取數(shù)據(jù)，顯然在這種情況下這個(gè)線程就被阻塞了，在高并發(fā)的環(huán)境下，也會(huì)有一定的性能的問題。造成這個(gè)問題的主要原因就是NIO仍然使用了同步的IO。

AIO是對(duì)NIO的改進(jìn)（所以AIO又稱NIO.2），它是基于Proactor模型實(shí)現(xiàn)的。

在IO讀寫的時(shí)候，如果想把IO請(qǐng)求與讀寫操作分離調(diào)配進(jìn)行，那么就需要用到事件分離器。根據(jù)處理機(jī)制的不同，事件分離器又分為：同步的Reactor和異步的Proactor。為了更好地理解AIO與NIO的區(qū)別，下面首先簡(jiǎn)要介紹一下Reactor模型與Proactor模型的區(qū)別：

Reactor模型

它的工作原理為（以讀操作為例）：

1）應(yīng)用程序在事件分離器上注冊(cè)“讀就緒事件”與“讀就緒事件處理器”；

2）事件分離器會(huì)等待讀就緒事件發(fā)生；

3）一旦讀就緒事件發(fā)生，事件分離器就會(huì)被激活，分離器就會(huì)調(diào)用“讀就緒事件處理器”；

4）此時(shí)讀就緒處理器就知道有數(shù)據(jù)可以讀了，然后開始讀取數(shù)據(jù)，把讀到的數(shù)據(jù)提交程序使用。

Proactor模型

1）應(yīng)用程序在事件分離器上注冊(cè)“讀完成事件”和“讀完成事件處理器”，并向操作系統(tǒng)發(fā)出異步讀請(qǐng)求；

2）事件分離器會(huì)等待操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)讀取；

3）在操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的讀取并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入用戶自定義緩沖區(qū)后會(huì)通知事件分離器讀操作完成；

4）事件分離器監(jiān)聽到“讀完成事件”后會(huì)激活“讀完成事件處理器”；

5）讀完成事件處理器此時(shí)就可以把讀取到的數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用程序使用。

由此可以看出它們的主要區(qū)別為：在Reactor模型中，應(yīng)用程序需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取操作；而在Proactor模型中，應(yīng)用程序不需要負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)。由此可以看出，AIO的處理流程如下所示：

1）每個(gè)socket連接在事件分離器注冊(cè)“IO完成事件”和“IO完成事件處理器”；

2）應(yīng)用程序需要進(jìn)行IO操作時(shí)，會(huì)向分離器發(fā)出IO請(qǐng)求并把所需的Buffer區(qū)域告訴分離器，分離器則會(huì)通知操作系統(tǒng)進(jìn)行IO操作；

3）操作系統(tǒng)則嘗試IO操作，等操作完成后會(huì)通知分離器；

4）分離器檢測(cè)到IO完成事件后，就激活I(lǐng)O完成事件處理器，處理器會(huì)通知應(yīng)用程序，接著應(yīng)用程序就可以直接從Buffer區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。

在AIO socket編程中，服務(wù)端通道是AsynchronousServerSocketChannel，這個(gè)類提供了一個(gè)open()靜態(tài)工廠，一個(gè)bind()方法用于綁定服務(wù)端IP地址（還有端口號(hào)），另外還提供了accept()用于接收用戶連接請(qǐng)求。在客戶端使用的通道是AsynchronousSocketChannel，這個(gè)通道除了提供open靜態(tài)工廠方法外，還提供了read和write方法。

在AIO編程中，當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)出一個(gè)事件（accept、read或write等）后需要指定事件處理類（也就是回調(diào)函數(shù)），AIO中使用的事件處理類是CompletionHandler<V,A>，這個(gè)接口有如下兩個(gè)方法：分別在異步操作成功和失敗時(shí)被回調(diào)。

下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的AIO的使用示例，在實(shí)例中服務(wù)器端只是簡(jiǎn)單地回顯客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

服務(wù)端代碼：

客戶端代碼：