分析Java NIO範例的用法及特點

一、Java心智圖

二、I/O模型

I/O模型的本質是用什麼樣的通道進行資料的發送和接收，很大程度上決定了程式通訊的效能。
Java共支援三種網路程式設計模型：BIO、NIO、AIO

• BIO：同步且阻塞，服務實作模式為一個連接一個線程，即客戶端有一個連接請求時，服務端就需要啟動一個執行緒進行處理。

• NIO： 同步非阻塞，伺服器實作模式為一個執行緒處理多個請求連接，即客戶端發送的請求都會註冊到多工器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求就進行處理。

• AIO：非同步非阻塞，AIO引入非同步通道的概念，採用了Proactor模式，簡化了程式編寫，有效的請求才啟動線程，它的特點是先由作業系統完成後才通知服務端。

三、BIO、NIO、AIO應用場景

• #BIO方式適用於連接數目比較小且固定的架構，這種方式對伺服器資源需求比較高， 並發侷限於應用程式中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程式簡單易理解。

• NIO方式適用於連接數目多且連接比較短（輕操作）的架構，例如聊天伺服器，彈幕 系統，伺服器間通訊等。程式比較複雜，JDK1.4開始支援。

• AIO方式使用於連接數目多且連接比較長（重操作）的架構，例如相簿伺服器，充分呼叫OS參與並發操作，程式設計比較複雜，JDK7開始支援

四、BIO程式設計簡單流程

• 伺服器端啟動一個ServerSocket;

• 客戶端啟動Socket對伺服器進行通信，預設伺服器端需要對每個客戶建立一個執行緒與之通訊；

• 客戶端發出請求後, 先諮詢伺服器是否有執行緒回應，如果沒有則會等待，或被拒絕；

• 如果有回應，客戶端執行緒會等待請求結束後，在繼續執行；

五、NIO核心

NIO 有三大核心部分：Selector(選擇器)、Channel(通道)、Buffer(緩衝區)。
NIO是面向緩衝區，或者說面向區塊編程，資料讀取到一個它稍後處理的緩衝區，需要時可在緩衝區中前後移動，這就增加了處理過程中的靈活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網路。
HTTP2.0使用了多路復用的技術，做到同一個連線並發處理多個請求，而且並發請求 的數量比HTTP1.1大了好幾個數量級。
簡而言之，NIO可以一個執行緒處理多個請求。

六、BIO與NIO比較

• BIO 以流的方式處理資料,而NIO 以區塊的方式處理資料,區塊I/O 的效率比流I /O 高很多；

• BIO 是阻塞的，NIO 則是非阻塞的；

• BIO基於位元組流和字元流進行操作，而NIO 是基於Channel(通道)和Buffer(緩衝區)進行操作，資料總是從通道讀取到緩衝區中，或從緩衝區寫入到通道中。 Selector(選擇器)用於監聽多個頻道的事件（例如：連線請求，資料到達等），因 此使用單一執行緒就可以監聽多個客戶端通道。

七、NIO 三大核心原理示意圖

# 流程圖說明：

• Selector 對應一個線程， 一個線程對應多個channel(連接)；

• 該圖反應了有三個channel 註冊到該selector //程式；

• 每個channel 都會對應一個Buffer;

• 程式切換到哪個channel 是有事件決定的, Event 就是一個重要的概念;

• Selector 會根據不同的事件，在各個通道上切換；

• Buffer 就是一個記憶體區塊， 底層是有一個陣列；

• 資料的讀取寫入是透過Buffer, 這個和BIO , BIO 中要么是輸入流，或者是輸出流, 不能雙向，但是NIO的Buffer 是可以讀也可以寫, 需要flip 方法切換；

• channel 是雙向的, 可以返回底層作業系統的情況, 例如Linux ， 底層的作業系統通道就是雙向的；

八、緩衝區（buffer）

緩衝區本質上是一個可以讀寫資料的記憶體區塊，可以理解成是一個容器物件(含數組)，該對象提供了一組方法，可以更輕鬆地使用記憶體區塊，，緩衝區物件內建了一些機制，能夠追蹤和記錄緩衝區的狀態變化。 Channel 提供從檔案、 網路讀取資料的管道，但讀取或寫入的資料都必須經由 Buffer。
在 NIO 中，Buffer 是一個頂層父類，它是一個抽象類別。

1、常用Buffer子類別一覽

• ByteBuffer，儲存位元組資料到緩衝區；

• ShortBuffer，儲存字串資料到緩衝區；

• CharBuffer，儲存字元資料到緩衝區；

• ##IntBuffer，儲存整數資料到緩衝區；

• LongBuffer，儲存長整數資料到緩衝區；

• DoubleBuffer，儲存小數到緩衝區；

• FloatBuffer，儲存小數到緩衝區；

#2、buffer四大屬性

• mark：標記

• position：位置，下一個要被讀或寫的元素的索引， 每次讀寫緩衝區資料時都會改變改值， 為下次讀寫作準備。

• limit：表示緩衝區的目前終點，不能對緩衝區 超過極限的位置進行讀寫作業。且極限 是可以修改的

• capacity：容量，即可以容納的最大資料量；在緩 衝區創建時被設定並且不能改變。

3、buffer常用api

JDK1.4時，引入的api

• public final int capacity( )//傳回此緩衝區的容量

• public final int position( )//傳回此緩衝區的位置

• public final Buffer position (int newPositio)//設定此緩衝區的位置

• public final int limit( )//傳回此緩衝區的限制

• public final Buffer limit (int newLimit)//設定此緩衝區的限制

• public final Buffer mark( )//在此緩衝區的位置設定標記

• public final Buffer reset( )//將此緩衝區的位置重設為先前標記的位置

• public final Buffer clear( )//清除此緩衝區, 即將各個標記恢復到初始狀態，但是資料並沒有真正擦除, 後面操作會覆蓋

• public final Buffer flip( )//反轉此緩衝區

• public final Buffer rewind( )//重繞此緩衝區

##public final int remaining( )//傳回目前位置與限制之間的元素數
public final boolean hasRemaining( )//告知在目前位置和限制之間是否有元素
public abstract boolean isReadOnly( );//告知此緩衝區是否為唯讀緩衝區
JDK1.6時引入的api

public abstract boolean hasArray();//告知此緩衝區是否具有可存取的底層實作陣列
public abstract Object array();/ /傳回此緩衝區的底層實作陣列
public abstract int arrayOffset();//傳回此緩衝區的底層實作陣列中第一個緩衝區元素的偏移量
public abstract boolean isDirect();//告知此緩衝區是否為直接緩衝區

九、通道（channel）

1、基本介紹

（1）NIO的通道類似流

##通道可以同時進行讀寫，而流只能讀或只能寫；

• 通道可以實現非同步讀寫資料

• ## 通道可以從緩衝讀取數據，也可以寫入資料到緩衝

• （2）BIO 中的stream 是單向的，例如FileInputStream 物件只能進行讀取資料的操作，而NIO 中的通道(Channel)是雙向的，可以讀取操作，也可以寫入操作。

  （3）Channel在NIO中是一個介面
（4）常用的 Channel 類別有：FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。 ServerSocketChanne 類似 ServerSocket , SocketChannel 類似 Socket。

（5）FileChannel 用於檔案的資料讀寫， DatagramChannel 用於 UDP 的資料讀寫， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用於 TCP 的資料讀寫。

2、FileChannel

FileChannel主要用來對本機檔案進行IO 操作，常見的方法有：

read ，從通道讀取資料並放到緩衝區中

• write，把緩衝區的資料寫到通道中

• transferFrom，從目標通道中複製資料到目前通道

• transferTo，把資料從目前通道複製給目標通道

3、關於Buffer 和Channel的注意事項和細節

• #ByteBuffer 支援類型化的put 和get, put 放入的是什麼資料類型，get就應該使用對應的資料類型來取出，否則可能有BufferUnderflowException 異常。

• 可以將一個普通Buffer 轉換成唯讀Buffer。

• NIO 也提供了 MappedByteBuffer， 可以讓檔案直接在記憶體（堆外的記憶體）中進 行修改， 而如何同步到檔案由NIO 來完成。

• NIO 也支援 透過多個 Buffer (即 Buffer 陣列) 完成讀寫操作，即 Scattering 和 Gathering。

十、Selector(選擇器)

1、基本介紹

• Java 的NIO ，用非阻塞的IO 方式。可以用一個線程，處理多個的客戶端連 接，就會使用到Selector(選擇器)。

• Selector 能夠偵測多個註冊的頻道上是否有事件發生，如果有事件發生，便取得事件然 後針對每個事件進行對應的處理。這樣就可以只用一個單線程去管理多個 通道，也就是管理多個連線和請求。

• 只有在連接/通道真正有讀寫事件發生時，才會進行讀寫，就大大地減少了系統開銷，並且不必為每個連接都創建一個線程，不用去維護多個線程。

• 避免了多執行緒之間的上下文切換所導致的開銷。

2、selector的相關方法

• #open();//得到一個選擇器物件

• select(long timeout);//監控所有註冊的通道，當其中有IO 操作可以進行時，將對應的SelectionKey 加入內部集合中並返回，參數用來設定逾時時間

• selectedKeys();//從內部集合中得到所有的SelectionKey。

3、注意事項

NIO中的 ServerSocketChannel功能類似ServerSocket，SocketChannel功能類別 就像Socket。

十一、透過NIO實作簡單的服務端客戶端通訊

1、服務端

package com.nezha.guor.nio;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.*;import java.util.Iterator;public class NioServer {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private static final int PORT = 8080;

    public NioServer() {
        try {
            //获得选择器
            selector = Selector.open();
            serverSocketChannel =  ServerSocketChannel.open();
            //绑定端口
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            //设置非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            //将该ServerSocketChannel 注册到selector
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        }catch (IOException e) {
            System.out.println("NioServer error:"+e.getMessage());
        }
    }

    public void listen() {

        System.out.println("监听线程启动: " + Thread.currentThread().getName());
        try {
            while (true) {
                int count = selector.select();
                if(count > 0) {
                    //遍历得到selectionKey集合
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();

                        if(key.isAcceptable()) {
                            SocketChannel sc = serverSocketChannel.accept();
                            sc.configureBlocking(false);
                            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                            System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
                        }
                        //通道发送read事件，即通道是可读的状态
                        if(key.isReadable()) {
                            getDataFromChannel(key);
                        }
                        //当前的key 删除，防止重复处理
                        iterator.remove();
                    }
                } else {
                    System.out.println("等待中");
                }
            }
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("listen error:"+e.getMessage());
        }
    }

    private void getDataFromChannel(SelectionKey key) {
        SocketChannel channel = null;
        try {
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int count = channel.read(buffer);
            //根据count的值做处理
            if(count > 0) {
                String msg = new String(buffer.array());
                System.out.println("来自客户端: " + msg);

                //向其它的客户端转发消息(排除自己)
                sendInfoToOtherClients(msg, channel);
            }
        }catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了");
                //取消注册
                key.cancel();
            }catch (IOException ex) {
                System.out.println("getDataFromChannel error:"+ex.getMessage());
            }
        }finally {
            try {
                channel.close();
            }catch (IOException ex) {
                System.out.println("channel.close() error:"+ex.getMessage());
            }
        }
    }

    //转发消息给其它客户(通道)
    private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws  IOException{
        System.out.println("服务器转发消息中...");
        System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
        //遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
        for(SelectionKey key: selector.keys()) {
            Channel targetChannel = key.channel();

            //排除自己
            if(targetChannel instanceof  SocketChannel && targetChannel != self) {
                SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
                //将信息存储到buffer
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                //将buffer数据写入通道
                dest.write(buffer);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建服务器对象
        NioServer nioServer = new NioServer();
        nioServer.listen();
    }}

2、客戶端

package com.nezha.guor.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.Scanner;public class NioClient {
    private final int PORT = 8080; //服务器端口
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;

    public NioClient() throws IOException {
        selector = Selector.open();
        socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //将channel注册到selector
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
        System.out.println(username + " is ok...");
    }

    //向服务器发送消息
    public void sendInfo(String info) {
        info = username + " 说：" + info;
        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
        }catch (IOException e) {
            System.out.println("sendInfo error:"+e.getMessage());
        }
    }

    //读取从服务器端回复的消息
    public void readInfo() {
        try {
            int readChannels = selector.select();
            if(readChannels > 0) {
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if(key.isReadable()) {
                        //得到相关的通道
                        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                        //得到一个Buffer
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        //读取
                        sc.read(buffer);
                        //把读到的缓冲区的数据转成字符串
                        String msg = new String(buffer.array());
                        System.out.println(msg.trim());
                    }
                }
                iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
            } else {
                System.out.println("没有可以用的通道...");
            }
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("readInfo error:"+e.getMessage());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        NioClient nioClient = new NioClient();
        new Thread() {
            public void run() {
                while (true) {
                    nioClient.readInfo();
                    try {
                        Thread.currentThread().sleep(2000);
                    }catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("sleep error:"+e.getMessage());
                    }
                }
            }
        }.start();

        //发送数据给服务器端
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        while (scanner.hasNextLine()) {
            nioClient.sendInfo(scanner.nextLine());
        }
    }}

3、控制台輸出

#

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