Java NIO原理与简单实现

Java NIO 简介
JAVA NIO有两种解释：一种叫非阻塞IO（Non-blocking I/O），另一种也叫新的IO（New I/O），其实是同一个概念。它是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。

NIO是一种基于通道和缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存（区别于JVM的运行时数据区），然后通过一个存储在java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的直接引用进行操作。这样能在一些场景显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

Java NIO组件
NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector（选择器）。传统IO是基于字节流和字符流进行操作（基于流），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。

Buffer
Buffer（缓冲区）是一个用于存储特定基本类型数据的容器。除了boolean外，其余每种基本类型都有一个对应的buffer类。Buffer类的子类有ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer 。

Channel
Channel（通道）表示到实体，如硬件设备、文件、网络套接字或可以执行一个或多个不同 I/O 操作（如读取或写入）的程序组件的开放的连接。Channel接口的常用实现类有FileChannel（对应文件IO）、DatagramChannel（对应UDP）、SocketChannel和ServerSocketChannel（对应TCP的客户端和服务器端）。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：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。

Selector
Selector（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。即用选择器，借助单一线程，就可对数量庞大的活动I/O通道实施监控和维护。

注：
写就绪相对有一点特殊，一般来说，你不应该注册写事件。写操作的就绪条件为底层缓冲区有空闲空间，而写缓冲区绝大部分时间都是有空闲空间的，所以当你注册写事件后，写操作一直是就绪的，选择处理线程全占用整个CPU资源。所以，只有当你确实有数据要写时再注册写操作，并在写完以后马上取消注册。

基于阻塞式I/O的多线程模型中，Server为每个Client连接创建一个处理线程，每个处理线程阻塞式等待可能达到的数据，一旦数据到达，则立即处理请求、返回处理结果并再次进入等待状态。由于每个Client连接有一个单独的处理线程为其服务，因此可保证良好的响应时间。但当系统负载增大（并发请求增多）时，Server端需要的线程数会增加，对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

但是，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。

传统的IO处理方式，一个线程处理一个网络连接

NIO处理方式，一个线程可以管理过个网络连接

NIO服务器端如何实现非阻塞？
服务器上所有Channel需要向Selector注册，而Selector则负责监视这些Socket的IO状态(观察者)，当其中任意一个或者多个Channel具有可用的IO操作时，该Selector的select()方法将会返回大于0的整数，该整数值就表示该Selector上有多少个Channel具有可用的IO操作，并提供了selectedKeys（）方法来返回这些Channel对应的SelectionKey集合(一个SelectionKey对应一个就绪的通道)。正是通过Selector，使得服务器端只需要不断地调用Selector实例的select()方法即可知道当前所有Channel是否有需要处理的IO操作。注：java NIO就是多路复用IO，jdk7之后底层是epoll模型。

Java NIO的简单实现
服务端
package com.github.sources.network.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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
*
*/
public class NioServer {

private int port;
private Selector selector;
private ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);

public static void main(String[] args){
new NioServer(8080).start();
}

public NioServer(int port) {
this.port = port;
}

public void init() {
ServerSocketChannel ssc = null;
try {
ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(port));
selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("NioServer started ......");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
}
}

public void accept(SelectionKey key) {
try {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("accept a client : " + sc.socket().getInetAddress().getHostName());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}

public void start() {
this.init();
while (true) {
try {
int events = selector.select();
if (events > 0) {
Iterator<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys().iterator();
while (selectionKeys.hasNext()) {
SelectionKey key = selectionKeys.next();
selectionKeys.remove();
if (key.isAcceptable()) {
accept(key);
} else {
service.submit(new NioServerHandler(key));
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

public static class NioServerHandler implements Runnable{

private SelectionKey selectionKey;

public NioServerHandler(SelectionKey selectionKey) {
this.selectionKey = selectionKey;
}

@Override
public void run() {
try {
if (selectionKey.isReadable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(buffer);
buffer.flip();
System.out.println("收到客户端"+socketChannel.socket().getInetAddress().getHostName()+"的数据："+new String(buffer.array()));
//将数据添加到key中
ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(buffer.array());
socketChannel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
selectionKey.cancel();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

客户端
package com.github.sources.network.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;

/**
*
*/
public class NioClient {
private static final String host = "127.0.0.1";
private static final int port = 8080;
private Selector selector;

public static void main(String[] args){
for (int i=0;i<3;i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
NioClient client = new NioClient();
client.connect(host, port);
client.listen();
}
}).start();
}
}

public void connect(String host, int port) {
try {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.configureBlocking(false);
this.selector = Selector.open();
sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
sc.connect(new InetSocketAddress(host, port));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}

public void listen() {
while (true) {
try {
int events = selector.select();
if (events > 0) {
Iterator<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys().iterator();
while (selectionKeys.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = selectionKeys.next();
selectionKeys.remove();
//连接事件
if (selectionKey.isConnectable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
if (socketChannel.isConnectionPending()) {
socketChannel.finishConnect();
}

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(("Hello this is " + Thread.currentThread().getName()).getBytes()));
} else if (selectionKey.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
sc.read(buffer);
buffer.flip();
System.out.println("收到服务端的数据："+new String(buffer.array()));
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}