Java中的NIO

本文章主要讨论以下几个问题：

什么是NIO？NIO与IO的区别与联系？
为什么要使用NIO，它有哪些优点？
NIO中的关键类，例如 Buffer、Channel 、Selector 的介绍？
NIO的具体使用。

什么是NIO？NIO与普通IO的区别与联系？

NIO指的是Non-Block IO，也即非阻塞的IO。传统的IO是堵塞的，也就是说当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。
Java NIO和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。
面向流 的 I/O 系统一次一个字节地处理数据。一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据。为流式数据创建过滤器非常容易。链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责单个复杂处理机制的一部分，这样也是相对简单的。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相当慢。
一个 面向缓冲区 的 I/O 系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。
Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

为什么要使用NIO，它有哪些优点？

NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统，因而可以极大地提高速度。
第二个使用NIO的原因是它可以实现异步的IO模式。通过向 Selector进行注册事件，如监听、读操作等，这样的话当一个事件到来时，Selector就会通知该Channel来处理该事件。

异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法。通常，在代码进行 read() 调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样， write() 调用将会阻塞直至数据能够写入。
另一方面，异步 I/O 调用不会阻塞。相反，您将注册对特定 I/O 事件的兴趣 ― 可读的数据的到达、新的套接字连接，等等，而在发生这样的事件时，系统将会告诉您。
异步 I/O 的一个优势在于，它允许您同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，您可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

NIO中的关键类，例如Buffer、Channel、Selector的介绍

NIO是面向块的，也就是说写操作和读操作都是需要经过缓冲区（Buffer）。例如从一个文件中读取数据，需要首先获取到文件的Channel，然后将文件中的数据读入Buffer，最后再对数据进行处理；向一个文件中进行写的操作，先把数据写入缓冲区，然后将缓冲区的数据write到文件中。

Buffer对象

Buffer 是一个对象，它包含一些要写入或者刚读出的数据。在 NIO 中加入 Buffer 对象，体现了新库与原 I/O 的一个重要区别。在面向流的 I/O 中，您将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是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，而且还可以跟踪系统的读/写进程。

Buffer的类型

最常用的就是ByteBuffer，他按照字节来处理数据。当然对于特定的数据类型也有不同的Buffer，但是其主要操作还是一样的。如CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。

Buffer中的三个属性position、limit以及capacity

capacity。这个Buffer的容量，是一个不变的值。
limit。这个值代表的是可读可写的范围。对于读或者写操作，范围就是[position， limit]。
position。当前操作的位置。

三者之间的关系，具体可以看下面这段代码。

 // 分配一个缓存区，此时position=0,limit = capacity = 100;
 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
 // 往buffer里面放了两个int，每个4字节
 //因此，position = 8， limit = capacity = 100   
 buffer.putInt(1);
 buffer.putInt(2);
//flip操作就是将buffer由写模式转为读模式
//limit 置位position = 8， 然后position = 0，capacity = 100
 buffer.flip();    
 while(buffer.hasRemaining()){
     buffer.getInt();        
 }
 // clear操作，将postion置为0， limit = capacity = 100，这样就可以继续往这个buffer中写数据了    
 buffer.clear();

Channel对象

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。拿 NIO 与原来的 I/O 做个比较，通道就像是流。通道与流的不同之处在于通道是双向的。而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、写或者同时用于读写。
一个Channel 总是往一个Buffer里面读（read to），或者从一个buffer里面写（write from）。

Channel的种类

FileChannel 。从一个文件中进行读写。

      // 创建一个FileChannel, 使用getChannel方法。
      FileChannel   inChannel = new FileInputStream("hello.txt").getChannel();
      FileChannel   outChannel = new FileOutputStream("world.txt").getChannel();
      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      
while (true)
{
	buffer.clear();

	int count = inchannel.read(buffer);
	if (count < 0)
		break;

	buffer.flip();

	outChannel.write(buffer);
}

DatagramChannel 。通过UDP协议进行读写的操作。

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));//在9999监听UDP连接

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
// 接收数据并存到buf中
channel.receive(buf);
// 发送数据
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress(host, 80));

SocketChannel。通过TCP协议进行读写的操作。

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SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 连接到服务器
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, 80));

ServerSocketChannel。允许你监听TCP连接，并且针对每个连接创建一个SocketChannel。

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 在9999建立监听
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

Selector

Selector 是一个Java NIO组件，它可以检查一个或多个NIO通道，并确定哪些通道已经准备好了，例如读或写。通过这种方式，单个线程可以管理多个通道，从而实现多个网络连接。、

为什么使用Selector

使用单个线程来处理多个通道的优点是，您需要较少的线程来处理通道。实际上，您可以使用一个线程来处理所有的通道。对于操作系统来说，在线程之间切换是很昂贵的，而且每个线程在操作系统中也会占用一些资源(内存)。因此，使用的线程越少越好。

一个selector管理多个channel

创建一个Selector

1	Selector selector = Selector.open();

向Selector注册Channel

为了使用选择器的通道，您必须使用选择器注册通道。这是通过使用SelectableChannel.register() 方法,如下:

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channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

FileChannel 是不可以注册的，因为它不能切换为 non-block 模式。

NIO的具体使用

下面这个例子展示的是Selector的使用，首先开启Selector，然后channel向Selector注册，Selector负责监听。

//1. 开启一个Selector
Selector selector = Selector.open();

//2. 将channel设置为非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);

//3. channel向Selector进行注册，它将处理读事件
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);


while(true) {
 //4. select() 方法将会阻塞，直到有准备好的channel
  int readyChannels = selector.select();

  if(readyChannels == 0) continue;

//5. 进行相应的处理
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

  while(keyIterator.hasNext()) {

    SelectionKey key = keyIterator.next();

    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.

    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading

    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }

    keyIterator.remove();
  }
}