NIO的API解释

2021-04-15 22:57:52 作者：互联网

每日一诗

庆历四年春，滕子京谪守巴陵郡。越明年，政通人和，百废具兴，乃重修岳阳楼，增其旧制，刻唐贤今人诗赋于其上，属予作文以记之。
予观夫巴陵胜状，在洞庭一湖。衔远山，吞长江，浩浩汤汤，横无际涯，朝晖夕阴，气象万千，此则岳阳楼之大观也，前人之述备矣。然则北通巫峡，南极潇湘，迁客骚人，多会于此，览物之情，得无异乎？
若夫淫雨霏霏，连月不开，阴风怒号，浊浪排空，日星隐曜，山岳潜形，商旅不行，樯倾楫摧，薄暮冥冥，虎啸猿啼。登斯楼也，则有去国怀乡，忧谗畏讥，满目萧然，感极而悲者矣。
至若春和景明，波澜不惊，上下天光，一碧万顷，沙鸥翔集，锦鳞游泳，岸芷汀兰，郁郁青青。而或长烟一空，皓月千里，浮光跃金，静影沉璧，渔歌互答，此乐何极！登斯楼也，则有心旷神怡，宠辱偕忘，把酒临风，其喜洋洋者矣。
嗟夫！予尝求古仁人之心，或异二者之为，何哉？不以物喜，不以己悲，居庙堂之高则忧其民，处江湖之远则忧其君。是进亦忧，退亦忧。然则何时而乐耶？其必曰“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”乎！噫！微斯人，吾谁与归？
时六年九月十五日。

——范仲淹《岳阳楼记》

一、前言

前面的文章已经写过了nio的api操作，但是写完后并没有对nio的api有深刻一些的了解，甚至再让我盲写我都不一定能写的出来。所以这一篇，综合网上的资料，对nio的api做一个详细的解释。后续也将写一篇关于netty的api的解释

二、用自己的话说说NIO与BIO的不同

BIO是面向流的，他是同步阻塞的。NIO是面向块（缓冲区）的，是同步非阻塞。

非阻塞（nonblocking）这个词其实是非常具有混淆性。不管上面说的非阻塞还是IO多路复用，本质上真正的IO操作其实都是阻塞的。唯一区别是在数据准备好之前nonblocking实际上是不断去check，所以这部分时间可以认为是没有阻塞。而IO多路复用则是全程阻塞。只是check阶段的阻塞是多个连接可以阻塞在单个线程上，由这一个线程去check多个连接事件，从而节省了线程资源。

NIO和BIO最大的区别是数据打包和传输方式。IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。
面向流的IO一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节。
面向块的IO系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多，但面向块的IO缺少了面向流IO所具有的有雅兴和简单性。

IO中的读和写，对应的是数据和Stream，NIO中的读和写，则对应的就是通道和缓冲区。NIO中从通道中读取：创建一个缓冲区，然后让通道读取数据到缓冲区。NIO写入数据到通道：创建一个缓冲区，用数据填充它，然后让通道用这些数据来执行写入。

三、NIO基础

通过前面几篇文章的学习，我们知道NIO三个重要的核心对象：Selector、Buffer、Channel。

3.1 Buffer

Buffer是一个对象，它要包含一些写入或读出的数据。在Nio中数据是要放在Buffer对象中的，而在IO中，数据是直接写入或者读到Stream对象的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作，而必须通过 Buffer 来进行，即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的。在NIO中，所有的数据都是用Buffer处理的，它是NIO读写数据的中转池。Buffer实质上是一个数组，通常是一个字节数据，但也可以是其他类型的数组。但一个缓冲区不仅仅是一个数组，重要的是它提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读写进程。

使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤：

写入数据到 Buffer；
调用 flip() 方法；
从 Buffer 中读取数据；
调用 clear() 方法或者 compact() 方法。

当向 Buffer 写入数据时，Buffer 会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过 flip() 方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到 Buffer 的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法会清空整个缓冲区。compact() 方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

Buffer的种类：

3.2 Channel

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比还有一些不同：

Channel是双向的，既可以读又可以写，而流是单向的
Channel可以进行异步的读写
对Channel的读写必须通过buffer对象（这是最重要的）

正如上面提到的，所有数据都通过Buffer对象处理，所以，您永远不会将字节直接写入到Channel中，相反，您是将数据写入到Buffer中；同样，您也不会从Channel中读取字节，而是将数据从Channel读入Buffer，再从Buffer获取这个字节。

因为Channel是双向的，所以Channel可以比流更好地反映出底层操作系统的真实情况。特别是在Unix模型中，底层操作系统通常都是双向的。

在Java NIO中Channel主要有如下几种类型：

FileChannel：从文件读取数据的
DatagramChannel：读写UDP网络协议数据
SocketChannel：读写TCP网络协议数据
ServerSocketChannel：可以监听TCP连接

3.3 从以前的代码实践逐步分析

服务端读取客户端数据，并写数据到客户端代码：

public static void main(String[] args) {
		//NIO,很重要的三个东西：【Channel、Buffer、Selector】
		//管道、缓冲区、多路复用器
		try {
			selector=Selector.open();
			ServerSocketChannel serverSocketChannel= ServerSocketChannel.open();
			//!!!表示设置为非阻塞；不设置会是阻塞
			serverSocketChannel.configureBlocking(false);
			serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
			//1.把连接事件注册到selector上
			serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
			while (true){
				//2.阻塞机制；只有事件到达的时候才会被唤醒，否则是阻塞
				selector.select();
				Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();
				Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeySet.iterator();
				while (iterator.hasNext()){
					SelectionKey key = iterator.next();
					//说明响应了，应该移除掉
					iterator.remove();

					if (key.isAcceptable()){//响应事件
						//TODO
						handleAccept(key);
					}else if(key.isReadable()){//读的就绪事件
						handleRead(key);
					}
				}

				//监听一个客户端请求
				SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
				if (socketChannel!=null){
					//分配缓冲区的大小
					ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
					//把数据加载到缓冲区
					socketChannel.read(byteBuffer);
					//读取
					System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
					/*写出数据*/
					//反转，读出来的数据和写出去的数据是相反的
					byteBuffer.flip();
					//写出
					socketChannel.write(byteBuffer);

				}else {
					Thread.sleep(1000);
					System.out.println("连接未就绪");
				}
			}
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}

	}

3.3.1 第一步：获取通道

SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

3.3.2 第二步：创建缓冲区，将数据读到缓冲区

//分配缓冲区的大小
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//把数据加载到缓冲区
socketChannel.read(byteBuffer);
//从写模式切换到读模式； 重设一下buffer的position=0，limit=position
byteBuffer.flip();

3.3.3 第三步：把缓冲区数据写入通道中

//写出
socketChannel.write(byteBuffer);

四、需要注意的点

4.1 检查状态

当没有更多的数据时，拷贝就算完成，此时 read() 方法会返回 -1 ，我们可以根据这个方法判断是否读完。

在很多场景中的这个地方应该加上检查状态的代码：

/判断是否读完文件
int eof =socketChannel.read(buffer);
if(eof==-1){
   break;  
}

4.2 Buffer类的flip、clear方法

4.2.1 控制buffer状态的三个变量

position：跟踪已经写了多少数据或读了多少数据，它指向的是下一个字节来自哪个位置
limit：代表还有多少数据可以取出或还有多少空间可以写入，它的值小于等于capacity。
capacity：代表缓冲区的最大容量，一般新建一个缓冲区的时候，limit的值和capacity的值默认是相等的。

4.2.2 flip的源码：

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

在上面的上面的程序中，写入数据之前我们调用了buffer.flip();方法，这个方法把当前的指针位置position设置成了limit，再将当前指针position指向数据的最开始端，我们现在可以将数据从缓冲区写入通道了。 position 被设置为 0，这意味着我们得到的下一个字节是第一个字节。 limit 已被设置为原来的 position，这意味着它包括以前读到的所有字节，并且一个字节也不多。

4.2.3 clear方法

先看一下clear的源码：

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

在上面的程序中，写入数据之后也就是读数据之前，我们调用了 buffer.clear();方法，这个方法重设缓冲区以便接收更多的字节。上图显示了在调用 clear() 后缓冲区的状态。

五、Selector

Selector是一个对象，它可以注册到很多个Channel上，监听各个Channel上发生的事件，并且能够根据事件情况决定Channel读写。这样，通过一个线程管理多个Channel，就可以处理大量网络连接了。
有了Selector，我们就可以利用一个线程来处理所有的channels。线程之间的切换对操作系统来说代价是很高的，并且每个线程也会占用一定的系统资源。所以，对系统来说使用的线程越少越好。

在这里插一个疑问，Netty不是以NIO为底层的嘛？NIO是同步非阻塞，为什么Netty又说自己是异步事件驱动的？

贴两位网友的解答：

这两个没啥矛盾吧？
NIO为底层：netty使用了IO多路复用比如epoll。
事件驱动：一般有一个主循环和一个任务队列，所有事件只管往队列里塞，主循环则从队列里取出并处理。如果不依赖于多路复用处理多个任务就会需要多线程（与连接数对等），但是依赖于多路复用，这个循环就可以在单线程的情况下处理多个连接。无论是哪个连接发生了什么事件，都会被主循环从队列取出并处理（可能用回调函数处理等），也就是说程序的走向由事件驱动
至于异步，只是说对用户来说开启来是异步，但是实际nio只是同步非阻塞。

Netty说自己是异步事件驱动的框架，并没有说网络模型用的是异步模型，异步事件驱动框架体现在所有的I/O操作是异步的，所有的IO调用会立即返回，并不保证调用成功与否，但是调用会返回ChannelFuture，netty会通过ChannelFuture通知你调用是成功了还是失败了亦或是取消了。

5.1 如何创建一个Selector

Selector 就是您注册对各种 I/O 事件兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉您所发生的事件。、

selector=Selector.open();

然后，就需要注册Channel到Selector了。

5.2 如何注册Channel到Selector

为了能让Channel和Selector配合使用，我们需要把Channel注册到Selector上。通过调用 channel.register（）方法来实现注册：

ServerSocketChannel serverSocketChannel= ServerSocketChannel.open();
//!!!表示设置为非阻塞；不设置会是阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
//1.把连接事件注册到selector上
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

注意：注册的Channel 必须设置成异步模式 才可以,，否则异步IO就无法工作。

需要注意register()方法的第二个参数，它是一个“interest set”,意思是注册的Selector对Channel中的哪些时间感兴趣，事件类型有四种：

Connect
Accept
Read
Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经 Ready(就绪)。所以，某个Channel成功连接到另一个服务器称为 Connect Ready。一个ServerSocketChannel准备好接收新连接称为 Accept Ready，一个有数据可读的通道可以说是 Read Ready，等待写数据的通道可以说是Write Ready。

上面这四个事件对应到SelectionKey中的四个常量：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

如果你对多个事件感兴趣，可以通过or操作符来连接这些常量：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

5.3 关于SelectionKey

对register()的调用的返回值是一个SelectionKey。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个Selector通知你某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。SelectionKey中包含如下属性和方法：

SelectionKey中包含如下属性：

The interest set
The ready set
The Channel
The Selector
An attached object (optional)

5.3.1 Interest Set

就像我们在前面讲到的把Channel注册到Selector来监听感兴趣的事件，interest set就是你要选择的感兴趣的事件的集合。你可以通过SelectionKey对象来读写interest set:

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

通过上面例子可以看到，我们可以通过用AND 和SelectionKey 中的常量做运算，从SelectionKey中找到我们感兴趣的事件。

5.3.2 Ready Set

ready set 是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选Selection之后，你应该会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();
可以用像检测interest集合那样的方法，来检测Channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

5.3.3 Channel 和Selector

我们可以通过SelectionKey获得Selector和注册的Channel：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

5.3.4 Attach 一个对象

可以将一个对象或者更多信息attach 到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

5.4 通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“Read Ready”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道：

int select()：阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪
int select(long timeout)：select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)
int selectNow()：不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回，此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道处于就绪状态。

5.4.1 selectedKeys()

一旦调用了select()方法，它就会返回一个数值，表示一个或多个通道已经就绪，然后你就可以通过调用selector.selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合来获得就绪的Channel。请看演示方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

当你通过Selector注册一个Channel时，channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象，这个对象就代表了你注册的Channel。这些对象可以通过selectedKeys()方法获得。你可以通过迭代这些selected key来获得就绪的Channel，下面是演示代码：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) { 
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
    // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {
    // a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {
    // a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {
    // a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}

这个循环遍历selected key的集合中的每个key，并对每个key做测试来判断哪个Channel已经就绪。
请注意循环中最后的keyIterator.remove()方法。Selector对象并不会从自己的selected key集合中自动移除SelectionKey实例。我们需要在处理完一个Channel的时候自己去移除。当下一次Channel就绪的时候，Selector会再次把它添加到selected key集合中。
SelectionKey.channel()方法返回的Channel需要转换成你具体要处理的类型，比如是ServerSocketChannel或者SocketChannel等等。

5.5 WakeUp（）和Close（）

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”

当用完Selector后调应当掉用close()方法，它将关闭Selector并且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

六、NIO思维导图

标签：解释,NIO,Buffer,Selector,API,缓冲区,SelectionKey,数据,Channel
来源： https://blog.csdn.net/moneywenxue/article/details/115683530