深入理解NIO（一）—— NIO的简单使用及其三大组件介绍
深入理解NIO系列分为四个部分
- 第一个部分也就是本节为NIO的简单使用（我很少写这种新手教程，所以如果你是复习还好，应该不难理解这篇，但如果你真的是入门而且不常阅读这种文字教程可能会看不懂，我的锅，别担心，建议找点简单的视频教程什么的先看看）
- 第二个部分为Tomcat中对NIO的应用（本篇虽然讲Tomcat源码，但是主要讲其中NIO的部分，其他部分请移步）（如果对NIO简单使用有把握的话可以直接先看这篇）
- 第三个部分为NIO原理及部分源码的解析
- 第四个部分为剖析NIO的底层epoll的实现原理
（老哥行行好，转载和我说一声好吗，我不介意转载的，但是请把原文链接贴大点好吗）
从BIO到NIO
无论是BIO还是NIO，其实都算是一种IO模型，都是基于socket的编程，
而socket又分为两种：文件型和网络型（OS的知识，Linux的进程通讯就是socket实现的）
文件型可以简单说成是本机的通讯，也就是本地进程间的通讯（我们访问localhost应该算一个）
网络型的话就是Client-Server了，例如浏览器访问其他服务器上的网页这种。
而聊天室属于既可以在本机开两个窗口聊天，也可以和互联网上的其他主机进行聊天的那种。
所以接下来我们讲的无论是BIO还是NIO，都可以当做一个聊天室这样子去理解会简单些。
BIO模型
首先我们先看一下BIO的网络模型
可以看到，BIO属于来一个新的连接，我们就新开一个线程来处理这个连接，之后的操作全部由那个线程来完成的那种。
那么，这个模式下的性能瓶颈在哪里呢？
- 首先，每次来一个连接都开一个新的线程这肯定是不合适的。当活跃连接数在几十几百的时候当然是可以这样做的，但如果活跃连接数是几万几十万的时候，这么多线程明显就不行了。每个线程都需要一部分内存，内存会被迅速消耗，同时，线程切换的开销非常大。
- 其次，假如一个用户只是登录了聊天室，之后便不再做任何操作，而这个线程却一直在那里循环等待用户发送消息，等待write()，这显然是非常耗费资源的。
因此人们便提出了NIO
NIO模型
非阻塞 IO 的核心在于使用一个 Selector 来管理多个通道，可以是 SocketChannel，也可以是 ServerSocketChannel，将各个通道注册到 Selector 上，指定监听的事件。
之后可以只用一个线程来轮询这个 Selector，看看上面是否有通道是准备好的，当通道准备好可读或可写，然后才去开始真正的读写，这样速度就很快了。我们就完全没有必要给每个通道都起一个线程。
简单例子介绍NIO的使用
这里只给出服务端的实现，代码不难，建议贴到ide里面好好过一遍，也方便后续阅读。
/** * NIO服务器端 */ public class NioServer { private void start() throws IOException { // 1. 创建Selector Selector selector = Selector.open(); // 2. 通过ServerSocketChannel创建channel通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 3. 为channel通道绑定监听端口 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000)); // 4. 设置channel为非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 5. 将channel注册到selector上，监听连接事件 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("服务器启动成功！"); // 6. 循环等待新接入的连接 for (;;) { // 获取可用channel数量 int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) continue; // 获取可用channel的集合 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { // selectionKey实例 SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next(); iterator.remove(); // 如果是 接入事件 if (selectionKey.isAcceptable()) { acceptHandler(serverSocketChannel, selector); } // 如果是 可读事件 if (selectionKey.isReadable()) { readHandler(selectionKey, selector); } } } } /** * 接入事件处理器 */ private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel, Selector selector) throws IOException { // 如果要是接入事件，创建socketChannel SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); // 将socketChannel设置为非阻塞工作模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 将channel注册到selector上，监听 可读事件 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 回复客户端提示信息 socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8") .encode("你与聊天室里其他人都不是朋友关系，请注意隐私安全")); } /** * 可读事件处理器 */ private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector) throws IOException { // 要从 selectionKey 中获取到已经就绪的channel SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 创建buffer ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 循环读取客户端请求信息 String request = ""; while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) { // 切换buffer为读模式 byteBuffer.flip(); // 读取buffer中的内容 request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer); } // 将channel再次注册到selector上，监听他的可读事件 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 将客户端发送的请求信息 广播给其他客户端 if (request.length() > 0) { // 广播给其他客户端 broadCast(selector, socketChannel, request); } } /** * 广播给其他客户端 */ private void broadCast(Selector selector, SocketChannel sourceChannel, String request) { // 获取到所有已接入的客户端channel Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys(); // 循环向所有channel广播信息 selectionKeySet.forEach(selectionKey -> { Channel targetChannel = selectionKey.channel(); // 剔除发消息的客户端 if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != sourceChannel) { try { // 将信息发送到targetChannel客户端 ((SocketChannel) targetChannel).write( Charset.forName("UTF-8").encode(request)); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } }
和上面的代码一模一样，但是这个有行号，方便阅读：
1 /** 2 * NIO服务器端 3 */ 4 public class NioServer { 5 6 private void start() throws IOException { 7 // 1. 创建Selector 8 Selector selector = Selector.open(); 9 10 // 2. 通过ServerSocketChannel创建channel通道 11 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); 12 13 // 3. 为channel通道绑定监听端口 14 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000)); 15 16 // 4. 设置channel为非阻塞模式 17 serverSocketChannel.configureBlocking(false); 18 19 // 5. 将channel注册到selector上，监听连接事件 20 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 21 System.out.println("服务器启动成功！"); 22 23 // 6. 循环等待新接入的连接 24 for (;;) { 25 // 获取可用channel数量 26 int readyChannels = selector.select(); 27 28 if (readyChannels == 0) continue; 29 30 // 获取可用channel的集合 31 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); 32 33 Iterator iterator = selectionKeys.iterator(); 34 35 while (iterator.hasNext()) { 36 // selectionKey实例 37 SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next(); 38 39 iterator.remove(); 40 41 // 如果是 接入事件 42 if (selectionKey.isAcceptable()) { 43 acceptHandler(serverSocketChannel, selector); 44 } 45 46 // 如果是 可读事件 47 if (selectionKey.isReadable()) { 48 readHandler(selectionKey, selector); 49 } 50 } 51 } 52 } 53 54 /** 55 * 接入事件处理器 56 */ 57 private void acceptHandler(ServerSocketChannel serverSocketChannel, 58 Selector selector) 59 throws IOException { 60 // 如果要是接入事件，创建socketChannel 61 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); 62 63 // 将socketChannel设置为非阻塞工作模式 64 socketChannel.configureBlocking(false); 65 66 // 将channel注册到selector上，监听 可读事件 67 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); 68 69 // 回复客户端提示信息 70 socketChannel.write(Charset.forName("UTF-8") 71 .encode("你与聊天室里其他人都不是朋友关系，请注意隐私安全")); 72 } 73 74 /** 75 * 可读事件处理器 76 */ 77 private void readHandler(SelectionKey selectionKey, Selector selector) 78 throws IOException { 79 // 要从 selectionKey 中获取到已经就绪的channel 80 SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); 81 82 // 创建buffer 83 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); 84 85 // 循环读取客户端请求信息 86 String request = ""; 87 while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) { 88 89 // 切换buffer为读模式 90 byteBuffer.flip(); 91 92 // 读取buffer中的内容 93 request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer); 94 } 95 96 // 将channel再次注册到selector上，监听他的可读事件 97 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); 98 99 // 将客户端发送的请求信息 广播给其他客户端 100 if (request.length() > 0) { 101 // 广播给其他客户端 102 broadCast(selector, socketChannel, request); 103 } 104 } 105 106 /** 107 * 广播给其他客户端 108 */ 109 private void broadCast(Selector selector, 110 SocketChannel sourceChannel, String request) { 111 // 获取到所有已接入的客户端channel 112 Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.keys(); 113 114 // 循环向所有channel广播信息 115 selectionKeySet.forEach(selectionKey -> { 116 Channel targetChannel = selectionKey.channel(); 117 118 // 剔除发消息的客户端 119 if (targetChannel instanceof SocketChannel 120 && targetChannel != sourceChannel) { 121 try { 122 // 将信息发送到targetChannel客户端 123 ((SocketChannel) targetChannel).write( 124 Charset.forName("UTF-8").encode(request)); 125 } catch (IOException e) { 126 e.printStackTrace(); 127 } 128 } 129 }); 130 } 131 }
NIO的三大组件
通过1.2的NIO部分的那张图和2.0的代码，你应该大致知道NIO的其中两大组件：Selector和Channel
这里这张图随手也把第三大组件Buffer也给了，接下来我们就先来聊一下这个Buffer
Buffer组件
首先看一眼Buffer种类（大同小异，大同小异）
接下来讲一下它的参数：
- capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。
- position 的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1。
- 从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。
- Limit：写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。
看一下刚刚例子中对Buffer的使用（82~94行）：
// 创建buffer ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 循环读取客户端请求信息 String request = ""; while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) { // 切换buffer为读模式 byteBuffer.flip(); // 读取buffer中的内容 request += Charset.forName("UTF-8").decode(byteBuffer); }
其中的flip方法，其实也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。
public final Buffer flip() { limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量 position = 0; // 重置 position 为 0 mark = -1; // mark 之后再说 return this; }
其他的read和write方法也不过是对三个参数的操作和读取写入buffer数组的综合而已，这里就不一一分析（大同小异，大同小异）
其它的方法我也就不介绍了，要用的时候自己去查api就是了。
Channel组件
- FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
- DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
- SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
- ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求
Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
这里是例子中对ServerSocketChannel的应用（10~17行）
// 2. 通过ServerSocketChannel创建channel通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 3. 为channel通道绑定监听端口 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8000)); // 4. 设置channel为非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false);
还有就是对SocketChannel的应用（60~64行）
// 如果要是接入事件，创建socketChannel SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); // 将socketChannel设置为非阻塞工作模式 socketChannel.configureBlocking(false);
到这里，我们应该能理解 SocketChannel 了，它不仅仅是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写。
而ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接。
Selector组件
那么，整出Channel后该怎么办呢？当然是把它注册到Selector上了。
我们先整一个Selector出来（7~8行）：
// 1. 创建Selector Selector selector = Selector.open();
然后把ServerSocketChannel注册上去（16~21行）：
// 4. 设置channel为非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 5. 将channel注册到selector上，监听连接事件 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("服务器启动成功！");
这里可以看到注册的另一个参数 SelectionKey.OP_ACCEPT ：
register 方法的第二个 int 型参数（使用二进制的标记位）用于表明需要监听哪些感兴趣的事件，共以下四种事件：
-
SelectionKey.OP_READ 对应 00000001，通道中有数据可以进行读取
-
SelectionKey.OP_WRITE 对应 00000100，可以往通道中写入数据
-
SelectionKey.OP_CONNECT 对应 00001000，成功建立 TCP 连接
-
SelectionKey.OP_ACCEPT 对应 00010000，接受 TCP 连接
SocketChannel 同理：
// 如果要是接入事件，创建socketChannel SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); // 将socketChannel设置为非阻塞工作模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 将channel注册到selector上，监听 可读事件 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
接下来就是循环检测selector中有没有准备好的channel了（23~31行）：
// 6. 循环等待新接入的连接 for (;;) { // 获取可用channel数量 int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) continue; // 获取可用channel的集合 Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
这里只提一下select()方法
调用此方法，会将上次 select 之后的准备好的 channel 对应的 SelectionKey 复制到 selected set 中。如果没有任何通道准备好，这个方法会阻塞，直到至少有一个通道准备好。
下一篇：深入理解NIO（二）—— Tomcat中对NIO的应用
参考资料：
https://javadoop.com/post/java-nio 参考组件部分