初探NIO

初探NIO

Seale

May 1, 2021

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4008 words

编程开发

前言

高级Java课程五一布置的小实验有一个是使用 NIO 完成一个群聊服务端和客户端，故学习学习。

NIO全称为 Non-Blocking IO，是一种同步非阻塞IO模型，也是IO多路复用的基础，迄今已经成为了解决高并发大流量的有效IO解决方案。

在之前传统的阻塞式编程的时候，我们常常使用serverSocket.accept() 等阻塞式操作来获取客户端的Socket连接，不过这个传统模式严重依赖于线程，但我们知道线程的创建和销毁都是重量级的系统函数。

传统阻塞式模型的缺点：

线程的创建和销毁成本大，就算使用到了线程池，但在系统层面上来讲，本质是重量级的系统函数，像Linux这样的操作系统，线程的本质上就是一个进程。
线程本身就占用了大量的空间，一般会分配 512Kb - 1M 的空间。
线程的切换成本是很高的，操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，如果线程数过高，那么可能线程的切换时间可能都会超过线程的执行时间，

核心部分

Channel
Buffers
Selectors

Channel 和 Buffer

所有的 IO 在 NIO 中都是从一个Channel开始的，从英文意思来看，为通道，我们可以理解一个双向通道，数据可以双向传播。

[image:0A7BF8F2-7C3C-4766-82A7-02227E09BE52-1888-000006603DFC0EFF/overview-channels-buffers1.png]

在 Java 中，同样也对 Channel 进行了一些实现，如下

FileChannel 从文件中读写数据
DatagramChannel 面向UDP协议读写网络中的数据
SocketChannel 面向TCP协议读写网络中的数据
ServerSocketChannel 类似于ServerSocket可以对TCP进行监听，每一个请求都会创建一个SocketChannel

我们可以看到基本涵盖了 TCP、UDP、文件等 IO。

在 Java 的 NIO 中，我们既可以在通道读取数据，又可以在通道中写数据（双向），通道可以异步读写，在通道中的数据必须从 Buffer 中读取，或者从一个 Buffer 中写入。

Buffer 为缓冲区，在 Channel 中的数据交互都是通过 Buffer 来实现的。

以下是 Java 对 Buffer 的一些实现

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

在这里我们需要注意的是，StringBuffer 并不是在 NIO 中的内容。

Buffer的基本使用流程为：

写入数据到Buffer中
调用 filp() 方法，将 Buffer 从写模式转为读模式
从 Buffer 中读取数据
清空 Buffer 缓冲区（clear() or compact()）

注意，clear() 会清空整个 Buffer 缓冲区的数据，而 comapct() 方法只会清理已经读取过的数据，未读数据会移动到缓冲区的首，而后入数据则会追加到未读数据尾。

Selector

Selector 允许单线程处理多个通道的数据，原理是基于 epoll 多路复用机制。

如果你的应用打开了多个连接（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。

[image:88C22BAA-BCEA-47A0-B6AC-7CDD340CEB8A-1888-00000662620EEC89/overview-selectors.png]

我们想要使用 Selector 首先就需要向 Selector 中注册 Channel，之后再调用select() 方法，这个方法会一直阻塞到某个 Channel 有事件就绪，一旦这个方法返回，那么 Selector 就能够处理这些事件。

NIO 文件读取例子

package NIO;

import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * @作者: Seale
 * @时间: 2021/05/01 8:17 下午
 * @说明:
 * @类名: NioFileTest
 */
public class NioFileTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        RandomAccessFile nioTest = new RandomAccessFile("/Users/seale/Dev/JavaPro/JavaStudy/src/NIO/test.txt","rw");
        FileChannel fileChannel = nioTest.getChannel();

        // init bytebuffer allocate 1024
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        CharBuffer cb = CharBuffer.allocate(1024);
        int byteRead = fileChannel.read(buf);
        Charset charset = StandardCharsets.UTF_8;
        CharsetDecoder charsetDecoder = charset.newDecoder();
        while (byteRead != -1){
            buf.flip(); // 更改写状态为读状态
            charsetDecoder.decode(buf,cb,true);
            cb.flip();
            char[] tmp = new char[cb.length()];
            while (cb.hasRemaining()){
                cb.get(tmp);
                System.out.print(new String(tmp));
            }
            buf.clear();
            cb.clear();
            byteRead = fileChannel.read(buf); // 继续读取下一区块
        }
        nioTest.close();
    }
}

测试nio
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Process finished with exit code 0

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