IO相关知识

1：模型

I/O 模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能
Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO

• 1：Java BIO ： 同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销 ；
• 2：Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理 ；
• 3：异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用；

1.1 模型对比

• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。
• NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
• AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

2：BIO

​ Java BIO 就是传统的java io 编程，其相关的类和接口在 java.io。BIO(blocking I/O) ： 同步阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。 BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，程序简单易理解。

2.1：工作原理

流程：

• 1：服务器端启动一个ServerSocket；
• 2：客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户 建立一个线程与之通讯；
• 3：客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝；
• 4：如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行；

2.2：问题

• 1：每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write 。
• 2：当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
• 3：连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费

2.3 代码案例

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建一个线程池,每连接到一个客户端，就启动一个线程和客户端进行通信
        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        @SuppressWarnings("resource")
        ServerSocket server=new ServerSocket(6666);
        System.out.println("tomcat服务器启动...");
        while(true){
            //阻塞， 等待客户端连接
            final Socket socket = server.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端！");
            newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    //业务处理
                    handler(socket);
                }
            });
        }

    }

    /**
     * 处理
     * @param socket
     */
    public static void handler(Socket socket){
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();

            while(true){
                //读客户端数据 阻塞
                int read = inputStream.read(bytes);
                if(read != -1){
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));
                }else{
                    break;
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try {
                System.out.println("关闭和client的连接..");
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

2：NIO

2.1：介绍

​ Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的；

​ NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
​ NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
​ NIO是 面向缓冲区，或者面向块编程的。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，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

​ Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，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。通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
​ HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。

2.2：与BIO的对比

• 1：BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多；
• 2：BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的；
• 3：BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)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(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道 。

2.3：NIO的三大核心

2.3.1：Selector 、 Channel 和 Buffer

关系图的说明:
每个channel 都会对应一个Buffer
Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)
该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序
程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组
数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换
channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统通道就是双向的.

2.3.2：Buffer（缓冲区）

​ 缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

常用子类：
ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区
ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区
CharBuffer，存储字符数据到缓冲区
IntBuffer，存储整数数据到缓冲区
LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区
DoubleBuffer，存储小数到缓冲区
FloatBuffer，存储小数到缓冲区

（1）：属性

属性	描述
Capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变
Limit	表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的
Position	位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变改值，为下次读写作准备
Mark	标记

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;

（2）：方法

public abstract class Buffer {
    //JDK1.4时，引入的api
    public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量
    public final int position( )//返回此缓冲区的位置
    public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置
    public final int limit( )//返回此缓冲区的限制
    public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制
    public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记
    public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
    public final Buffer clear( )//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态，但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
    public final Buffer flip( )//反转此缓冲区
    public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区
    public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数
    public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素
    public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
 
    //JDK1.6时引入的api
    public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
    public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组
    public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
    public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
}

（3）：ByteBuffer

public abstract class ByteBuffer {
    //缓冲区创建相关api
    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)//创建直接缓冲区
    public static ByteBuffer allocate(int capacity)//设置缓冲区的初始容量
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array)//把一个数组放到缓冲区中使用
    //构造初始化位置offset和上界length的缓冲区
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset, int length)
     //缓存区存取相关API
    public abstract byte get( );//从当前位置position上get，get之后，position会自动+1
    public abstract byte get (int index);//从绝对位置get
    public abstract ByteBuffer put (byte b);//从当前位置上添加，put之后，position会自动+1
    public abstract ByteBuffer put (int index, byte b);//从绝对位置上put
 }

2.3.3：通道(Channel)

​ NIO的通道类似于流，但有些区别如下：通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写；通道可以实现异步读写数据；通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲；

​ BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。
​ Channel在NIO中是一个接口public interface Channel extends Closeable{} ；
​ 常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】；
​ FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

（1）：FileChannel 类

​ FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作：

public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

代码示例1：

public class NIOFileOper01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String str="hello,尚硅谷~";
        FileOutputStream fos=new FileOutputStream("D:\test\file01.txt");
        //使用FileChannel 通道
        //fos.getChannle 返回的是 FileChanel 的实现子类 FileChannelImpl
        //可以追下源代码
        FileChannel fc=fos.getChannel();
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
		/*
		 *NIO 中的通道是从输出流对象里通过 getChannel 方法获取到的，该通道是双向的，既可
以读，又可以写。在往通道里写数据之前，必须通过 put 方法把数据存到 ByteBuffer 中，然
后通过通道的 write 方法写数据。在 write 之前，需要调用 flip 方法翻转缓冲区，把内部重置
到初始位置，这样在接下来写数据时才能把所有数据写到通道里
		 */
        buffer.put(str.getBytes());
        buffer.flip();
        fc.write(buffer);
        fos.close();
    }
}

代码示例2：

public class NIOFileOper02 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        File file = new File("d:\test\file01.txt");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        //说明:
      /*
       * 从输入流中获得一个通道，然后提供 ByteBuffer 缓冲区，该缓冲区的初始容量
      和文件的大小一样，最后通过通道的 read 方法把数据读取出来并存储到了 ByteBuffer 中
       */
        FileChannel fc = fis.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
        //该通道可以写操作，也可以读操作

        fc.read(buffer);
        System.out.print(new String(buffer.array()));
        fis.close();
    }
}

代码示例2：

public class NIOFileCopy {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\test\pic.jpg");
        FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\test\test2.jpg");
        /*
         * 说明
         * 从两个流中得到两个通道，sourCh ,destCh ，
         * 然后直接调用 transferFrom 完成文件复制
         */
        FileChannel sourCh = fis.getChannel();
        FileChannel destCh = fos.getChannel();

        /*
         * transferFrom 方法可以将两个通道连接起来，进行数据传输
         * @param  src
         *         The source channel
         *
         * @param  position
         *         The position within the file at which the transfer is to begin;
         *         must be non-negative
         *
         * @param  count
         *         The maximum number of bytes to be transferred; must be
         *         non-negative
         *
         * @return  The number of bytes, possibly zero,
         *          that were actually transferred
         */

        destCh.transferFrom(sourCh, 0, sourCh.size());
        sourCh.close();
        destCh.close();
        fis.close();
        fos.close();
        System.out.println("图片拷贝完毕~~");
    }
}

2.3.4：Selector(选择器)

（1）：基本介绍

• 1：Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)

• 2：Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。

• 3：只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程
  避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

特点：
Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器，也叫多路复用器)，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

（2）：相关方法

public abstract class Selector implements Closeable { 
	public static Selector open();//得到一个选择器对象
	public int select(long timeout);//监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将
	对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间
	public Set<SelectionKey> selectedKeys();//从内部集合中得到所有的 SelectionKey	
}

（3）：NIO的流程图

(1):当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel 得到 SocketChannel；
(2):Selector 进行监听  select 方法, 返回有事件发生的通道的个数；
(3):将socketChannel注册到Selector上, register(Selector sel, int ops), 一个selector上可以注册多个SocketChannel;
(4):注册后返回一个 SelectionKey, 会和该Selector 关联(集合);
(5):进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生);
(6):在通过 SelectionKey  反向获取 SocketChannel , 方法 channel();
(7):可以通过得到的 channel  , 完成业务处理.

代码示例-client：

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws  Exception{
        //1. 得到一个网络通道
        SocketChannel channel=SocketChannel.open();
        //2. 设置非阻塞方式
        channel.configureBlocking(false);
        //3. 提供服务器端的IP地址和端口号
        InetSocketAddress address=new InetSocketAddress("127.0.0.1",6666);
        //4. 连接服务器端
        if(!channel.connect(address)){
            while(!channel.finishConnect()){  //nio非阻塞式
                System.out.println("客户端: 因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做个计算工作...");
            }
        }
        //连接成功了..
        //5. 得到一个缓冲区并存入数据
        String msg="hello,尚硅谷";
        ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        //6. 发送数据
        channel.write(writeBuf);
        System.in.read();
    }
}

代码示例-server：

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws  Exception{
        //1. 得到一个ServerSocketChannel对象
        ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
        //2. 得到一个Selector对象
        Selector selector=Selector.open();
        //3. 绑定一个端口号, 在服务器的6666监听
        //serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(6666));
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        //4. 设置非阻塞方式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //5. 把ServerSocketChannel对象注册给Selector对象
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //6. 干活
        while(true){
            //6.1 监控客户端
            //如果使用 selector.select() 就会阻塞在这里的
            if(selector.select(1000)==0){  //nio非阻塞式的优势
                System.out.println("Server:等待了1秒，无客户端连接");
                continue;
            }
            //6.2 得到SelectionKey,判断通道里的事件
            Iterator<SelectionKey> keyIterator=selector.selectedKeys().iterator();
            while(keyIterator.hasNext()){
                SelectionKey key=keyIterator.next();
                if(key.isAcceptable()){  //客户端连接请求事件

                    SocketChannel socketChannel=serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                }
                if(key.isReadable()){  //读取客户端数据事件
                    SocketChannel channel=(SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer=(ByteBuffer) key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("接收到客户端数据："+new String(buffer.array()));
                }
                // 6.3 手动从集合中移除当前key,防止重复处理
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

**（4）：SelectionKey **

public abstract class SelectionKey {
     public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象
	public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道
	public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据
	public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件
	public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept
	public final boolean isReadable();//是否可以读
	public final boolean isWritable();//是否可以写
}

**（5）：ServerSocketChannel **

public abstract class ServerSocketChannel   extends AbstractSelectableChannel   implements NetworkChannel{
        public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道
        public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号
        public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
        public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象
        public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件
}

**（6）：SocketChannel **

​ SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。

public abstract class SocketChannel   extends AbstractSelectableChannel   implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{
	public static SocketChannel open();//得到一个 SocketChannel 通道
	public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block);//设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
	public boolean connect(SocketAddress remote);//连接服务器
	public boolean finishConnect();//如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作
	public int write(ByteBuffer src);//往通道里写数据
	public int read(ByteBuffer dst);//从通道里读数据
	public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注册一个选择器并设置监听事件，最后一个参数可以设置共享数据
	public final void close();//关闭通道
}