14.4 NIO实现Socket通信预备知识

目录

• 一、IO和NIO的区别
  • 1.1 面向流与面向缓冲
  • 1.2 阻塞与非阻塞IO
• 二、选择器（Selectors）
• 三、Buffer重要知识点回顾
  • 3.1 几个重要的属性
  • 3.2 几个常用易混的操作
• 四. 选择器与I/O多路复用
  • 4.1 Selector选择器
  • 4.2 注意事项

一、IO和NIO的区别

Java NIO（ non-blocking IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞	非阻塞

1.1 面向流与面向缓冲

Java NIO和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。 Java 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。

1.2 阻塞与非阻塞IO

Java 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。 Java 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。 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）。

二、选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
注意：
NIO的出现并不是要替代传统IO,而是在弥补传统IO的部分缺点，使用的场景不同。NIO虽然是非阻塞的，但是你在使用非阻塞write(ByteBuffer bf)时，当数据量较大时,可能会出现没有传输完整的现象，如果要保证数据传输完整,就要通过代码while(bf.hasReaming())和while(已传输len<文件size)去持续写入。这样的话会出现代码干预使其变成阻塞的了。而经过jdk不断的优化,inputSream和OutputStream几乎是传输速度最快的了,可以接近磁盘的写/读峰值（除了map内存映射），但是在有新的连接请求时却需要新的线程来控制，而线程的创建开销过于庞大，在线程间切换也有较大的消耗。总的来说，NIO适用于多条连接、多次请求，即需要多个线程多次操作，使用NIO可以减少创建线程和线程频繁切换的消耗；传统IO适用于少量用户，每次请求需要传输大量数据，但是请求次数少，使用传统IO可以提高传输的效率。（这里所说的NIO代指非阻塞IO，传统IO代表阻塞IO）

三、Buffer重要知识点回顾

3.1 几个重要的属性

(1)capacity ：缓冲区的容量，ByteBuffer实际上就是Byte数组的抽象结构，容量和数组的长度一致
(2)position：下一个写入/读取的索引
(3)limit ：第一个不应该写入/读取的索引
(4)mark： 一个标记点，在使用reset(）后，可将position重新置于mark标记处

每次get()/get(byte[] bytes)和put(byte x)/put(byte[] bytes)都会移动position。当position==limit时继续操作会产生异常。前面这种称之为相对读/写，每次从position位置开始操作，还有一种绝对位置操作，get(int index)/put(byte x, int index),从给定的index处操作，该种操作不会影响postion。

3.2 几个常用易混的操作

1、clear() 清楚此缓冲区，position设为0，limit=0，并且标记mark被丢弃。

public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

2、flip() 反转，将限制设置为当前位置，然后将该位置设置为零。如果定义了标记，则将其丢弃。

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

3、rewind()

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

4、reset()将postion置为标志处

public final Buffer reset() {
       int m = mark;
       if (m < 0)
           throw new InvalidMarkException();
       position = m;
       return this;
   }

5.compact() 压缩

	public ByteBuffer compact() {
	        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
	        position(remaining());
	        limit(capacity());
	        discardMark();
	        return this;
	    }

该方法将postion和limit之间的空间(未操作)复制到0~(limit-position)也就是remaining()的位置，也就是说把未使用的放到前面，通常搭配flip()使用，因为压缩后limit=capacity,position=(limit-position)，经过flip后，position变为0，limit变为(limit-position)，刚好就是未操作的空间。

例子：

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.charset.Charset;

public class BufferTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        //创建Buffer
        CharBuffer cbuff=CharBuffer.allocate(16);
        System.out.println(cbuff.capacity());//16
        System.out.println(cbuff.position());//0
        System.out.println(cbuff.limit());//16

        //放入元素
        cbuff.put("孙悟空");
        cbuff.put("猪八戒");
        cbuff.flip();
        //绝对读写不会影响position的位置
        System.out.println(cbuff.get(2));//空
        System.out.println(cbuff.capacity());//16
        System.out.println(cbuff.position());//0
        System.out.println(cbuff.limit());//6

        //reset()回到标志位
        cbuff.position(2).mark();//此时position=2，将此位置标记
        cbuff.reset();
        System.out.println(cbuff.get());//空
        System.out.println(cbuff.get());//猪
        System.out.println(cbuff.position());//4

        //compact() 压缩
        cbuff.compact();
        System.out.println(cbuff.capacity());//16
        System.out.println(cbuff.position());//2
        System.out.println(cbuff.limit());//16

        cbuff.flip();
        System.out.println(cbuff);//八戒

    }
}

四. 选择器与I/O多路复用

4.1 Selector选择器

Selector选择器是NIO技术中的核心组件，可以调用SelectableChannel类的public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)throws ClosedChannelException方法来向通道注册事件（也就是向通道注册感兴趣的事件），包括OP_READ、OP_WRITE、OP_CONNECT、OP_ACCEPT，分别对应读取、写入，请求连接、响应连接请求。

4.2 注意事项

1、NIo并不一定是单线程，在jdk的源码中，每注册1023个通道，selector会创建新的线程
2、每一个selector有三个键集，keys、selected keys、cancel keys。
3、每个通道对应一个SelectionKey，不管注册多少次返回的都是相同的一个键。
4、将通道注册到selector一定要配置为非阻塞,否则会发生异常。
5、注册后事件存在于keys中,经过 select() 后，系统发现有事件准备好了，该事件的key就会被选择，加入selectedKeys中，select(）返回值为已准备好的key数量，该方法为阻塞方法，只有返回值为大于0才返回（经过很长一段时间后无果也会返回），可以被wakeUp()方法唤醒。
6、read、accept、connect 调用select() 后通常会阻塞，因为不是每刻都有数据写入需要读取，有连接请求、需要响应。但是write几乎是不阻塞的，所以一定要注意在注册OP_WRITE时，一般要在写完之后，注册为OP_READ()，来使下一次的select()方法阻塞，不然在轮询时会发生死循环。即使你remove()也只是从selectedKeys中删除，下一次还是会从keys中移到selectedKeys中。而keys中的元素无法直接删除（会发生异常），必须等待channel关闭或者key被cancel。
7、select()方法的机制是等待通知，在系统中有操作准备好后，通知jvm，而不是循环轮询。
8、select()方法执行后，再注册的事件，select()不会去关心。
9、connect()方法是非阻塞的，这意味着连接可能尚未建立成功，该方法已经返回，使用时可能是未创建完成的连接。因此在使用时应当注意，可以通过添加while (!socket.finishConnect());来保证连接创建完成。
10、key在cancel后不会立即删除，而是在下一次select()方法调用时再移除。已关闭的通道的key也会在select()时移除。
11、Socket通信在关闭时会给对方发送报文，会触发对方注册的OP_READ,但是在read()时却会因为已经关闭，而发生异常。 注意代码中如何判断对方已关闭。
————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「Java新生代」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_42762133/java/article/details/100040141