Java NIO

概述

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)。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。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

Channel

首先说一下Channel，Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有：

• FileChannel

• DatagramChannel

• SocketChannel

• ServerSocketChannel

从名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等

MappedByteBuffer是一种特殊的 ByteBuffer，即是ByteBuffer的子类。将文件直接映射到内存逻辑地址空间（32位地址空间或者64位地址空间），当用户访问buffer中一个数据时，操作系统会通过一定的地址寄存器等转换逻辑地址空间到物理内存页， 若是数据已经在内存中则直接操作，若是数据没有在内存中，则操作系统引发缺页中断，操作系统的文件管理、内存管理等程序（工作在内核态）协同下调取数据从磁盘中到内存中，然后系统返回到用户态程序继续执行，一切都是在底层进行的，用户感觉不到，另外大部分操作都是在内核态进行，并且是在真正需要数据时才发生因此效率非常高，这个工作方式是现在操作系统的实现方式，包括windows及linux系列都是这么工作的。

HeapByteBuffer顾名思义，是写在jvm堆上面的一个buffer，底层的本质是一个数组，用类封装维护了很多的索引（limit/position/capacity等）

DirectByteBuffer是底层的数据其实是维护在操作系统的内存中，而不是jvm里，DirectByteBuffer里维护了一个引用address指向了数据，从而操作数据

Selector

Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

NIO和IO的主要区别

面向流与面向缓冲

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。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

IO的各种流是阻塞的。这意味着，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。该线程在此期间不能再干任何事情了。 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，所以直至数据变得可以读取之前，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）。