淺析Java NIO

NIO概述

Java NIO全稱為Non-blocking IO或者New IO，從名字我們知道NIO是非阻塞的IO，而Java IO則是阻塞的IO。在一般的情況下阻塞是低效率的，特別是在高併發的場景下面，因此Java引入了NIO。NIO相比IO來說主要有以下幾個區別：

NIO是面向緩衝區的，IO則面向流。

標準的IO程式設計介面是面向位元組流和字元流的。而NIO是面向通道和緩衝區的，資料總是從通道中讀到buffer緩衝區內，或者從buffer緩衝區寫入到通道中；（ NIO中的所有I/O操作都是通過一個通道開始的。）
Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個位元組，直至讀取所有位元組，它們沒有被快取在任何地方；
Java NIO是面向快取的I/O方法。將資料讀入緩衝器，使用通道進一步處理資料。在NIO中，使用通道和緩衝區來處理I/O操作。

NIO是非阻塞的，IO是阻塞的。

Java NIO使我們可以進行非阻塞IO操作。比如說，單執行緒中從通道讀取資料到buffer，同時可以繼續做別的事情，當資料讀取到buffer中後，執行緒再繼續處理資料。寫資料也是一樣的。另外，非阻塞寫也是如此。一個執行緒請求寫入一些資料到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個執行緒同時可以去做別的事情。
Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當一個執行緒呼叫read() 或 write()時，該執行緒被阻塞，直到有一些資料被讀取，或資料完全寫入。該執行緒在此期間不能再幹任何事情了

NIO有Selectors（多路複用器），而IO沒有Selectors。

選擇器用於使用單個執行緒處理多個通道。因此，它需要較少的執行緒來處理這些通道。
執行緒之間的切換對於作業系統來說是昂貴的。因此，為了提高系統效率選擇器是有用的

NIO中主要有以下三個概念：通道、緩衝區和Selectors。

通道

Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下幾點區別：

通道可以讀也可以寫，流一般來說是單向的（只能讀或者寫）。
通道可以非同步讀寫。
通道總是基於緩衝區Buffer來讀寫。

Java的NIO讀寫都是在通道中進行的，通道涵蓋了網路UDP，TCP網路IO和檔案IO：

DatagramChannel
SocketChannel
FileChannel
ServerSocketChannel
各個Channel的UML類圖如下：

DatagramChannel

DatagramChannel用於處理UDP連線。

開啟一個DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
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讀取資料

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
channel.receive(buf);
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傳送資料

String msg = "Current time is: " + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
buf.put(msg.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("host", port));
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SocketChannel

開啟 SocketChannel

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("host", 80));
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讀取資料

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);
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如果 read()返回 -1, 表明連線已經中斷。

寫入資料

String msg = "Current Time is: " + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(msg.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}
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非阻塞模式

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("host", 80));

while (!socketChannel.finishConnect()) {
      
}
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我們可以設定 SocketChannel 為非同步模式, 這樣 connect, read, write 都是非同步的了。在非同步模式中, 或許連線還沒有建立, connect 方法就返回了, 因此我們需要檢查當前是否是連線到了主機，因此通過一個 while 迴圈來判斷。

FileChannel

開啟

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
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讀取

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);
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寫入

String newData = "Current time is: " + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
while (buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}
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關閉

channel.close();
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設定 position

long pos = channel.position();
channel.position(pos + 123);
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檔案大小

我們可以通過 channel.size()獲取關聯到這個 Channel 中的檔案的大小。注意, 這裡返回的是檔案的大小, 而不是 Channel 中剩餘的元素個數。

截斷檔案

channel.truncate(1024);
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將檔案的大小截斷為1024位元組。

強制寫入

channel.force(true);
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強制將快取中的資料寫入檔案中：

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel顧名思義，它是用來監聽server端的socket連線。
開啟和關閉

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.close();
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監聽連線

使用ServerSocketChannel的accept()方法來監聽客戶端的TCP連線請求，accept()方法是阻塞的，直到有連線進來。

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}
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非阻塞模式

如果設定ServerSocketChannel是非阻塞的，則accept()方法不會阻塞。如果返回的是null證明沒有新的連線，如果不是null，則有新的連線請求。

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true) {
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    if(socketChannel != null) {
        // do something with socketChannel...
    }
}
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Buffer緩衝區

Java NIO Buffers用於和NIO Channel互動。正如你已經知道的，我們從channel中讀取資料到buffers裡，從buffer把資料寫入到channels。

buffer本質上就是一塊記憶體區，可以用來寫入資料，並在稍後讀取出來。這塊記憶體被NIO Buffer包裹起來，對外提供一系列的讀寫方便開發的介面。

Buffer基本用法

利用Buffer讀寫資料，通常遵循四個步驟：

把資料寫入buffer；
呼叫flip；
從Buffer中讀取資料；
呼叫buffer.clear()或者buffer.compact()

當寫入資料到buffer中時，buffer會記錄已經寫入的資料大小。當需要讀資料時，通過flip()方法把buffer從寫模式調整為讀模式；在讀模式下，可以讀取所有已經寫入的資料。

當讀取完資料後，需要清空buffer，以滿足後續寫入操作。清空buffer有兩種方式：呼叫clear()或compact()方法。clear會清空整個buffer，compact則只清空已讀取的資料，未被讀取的資料會被移動到buffer的開始位置，寫入位置則近跟著未讀資料之後。

這裡有一個簡單的buffer案例，包括了write，flip和clear操作：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

// create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  // make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing
  bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();
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Buffer的容量，位置，上限（Buffer Capacity, Position and Limit）
buffer緩衝區實質上就是一塊記憶體，用於寫入資料，也供後續再次讀取資料。這塊記憶體被NIO Buffer管理，並提供一系列的方法用於更簡單的操作這塊記憶體。

一個Buffer有三個屬性是必須掌握的，分別是：

capacity容量
position位置
limit限制

position和limit的具體含義取決於當前buffer的模式。capacity在兩種模式下都表示容量。

下面有張示例圖，描訴了不同模式下position和limit的含義：

容量（Capacity）

作為一塊記憶體，buffer有一個固定的大小，叫做capacity容量。也就是最多隻能寫入容量值得位元組，整形等資料。一旦buffer寫滿了就需要清空已讀資料以便下次繼續寫入新的資料。

位置（Position）

當寫入資料到Buffer的時候需要中一個確定的位置開始，預設初始化時這個位置position為0，一旦寫入了資料比如一個位元組，整形資料，那麼position的值就會指向資料之後的一個單元，position最大可以到capacity – 1。

當從Buffer讀取資料時，也需要從一個確定的位置開始。buffer從寫入模式變為讀取模式時，position會歸零，每次讀取後，position向後移動。

上限（Limit）

在寫模式，limit的含義是我們所能寫入的最大資料量。它等同於buffer的容量。

一旦切換到讀模式，limit則代表我們所能讀取的最大資料量，他的值等同於寫模式下position的位置。

資料讀取的上限時buffer中已有的資料，也就是limit的位置（原position所指的位置）。

Buffer Types

Java NIO有如下具體的Buffer型別：

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
正如你看到的，Buffer的型別代表了不同資料型別，換句話說，Buffer中的資料可以是上述的基本型別；

分配一個Buffer（Allocating a Buffer）

為了獲取一個Buffer物件，你必須先分配。每個Buffer實現類都有一個allocate()方法用於分配記憶體。下面看一個例項,開闢一個48位元組大小的buffer：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
開闢一個1024個字元的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

寫入資料到Buffer（Writing Data to a Buffer）

寫資料到Buffer有兩種方法：

從Channel中寫資料到Buffer。
手動寫資料到Buffer，呼叫put方法。
下面是一個例項，演示從Channel寫資料到Buffer：
int bytesRead = inChannel.read(buf); // read into buffer
通過put寫資料：

buf.put(127);
put方法有很多不同版本，對應不同的寫資料方法。例如把資料寫到特定的位置，或者把一個位元組資料寫入buffer。看考JavaDoc文件可以查閱的更多資料。

翻轉（flip()）

flip()方法可以吧Buffer從寫模式切換到讀模式。呼叫flip方法會把position歸零，並設定limit為之前的position的值。也就是說，現在position代表的是讀取位置，limit表示的是已寫入的資料位置。

從Buffer讀取資料（Reading Data from a Buffer）
衝Buffer讀資料也有兩種方式。

從buffer讀資料到channel
從buffer直接讀取資料，呼叫get方法
讀取資料到channel的例子：

// read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
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呼叫get讀取資料的例子：

byte aByte = buf.get();
get也有諸多版本，對應了不同的讀取方式。

rewind()

Buffer.rewind()方法將position置為0，這樣我們可以重複讀取buffer中的資料。limit保持不變。

clear() and compact()

一旦我們從buffer中讀取完資料，需要複用buffer為下次寫資料做準備。只需要呼叫clear或compact方法。

clear方法會重置position為0，limit為capacity，也就是整個Buffer清空。實際上Buffer中資料並沒有清空，我們只是把標記為修改了。

如果Buffer還有一些資料沒有讀取完，呼叫clear就會導致這部分資料被“遺忘”，因為我們沒有標記這部分資料未讀。

針對這種情況，如果需要保留未讀資料，那麼可以使用compact。因此compact和clear的區別就在於對未讀資料的處理，是保留這部分資料還是一起清空。

mark() and reset()

通過mark方法可以標記當前的position，通過reset來恢復mark的位置，這個非常像canvas的save和restore：

buffer.mark();

// call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.

buffer.reset();  // set position back to mark.    
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Selector

Selector是Java NIO中的一個元件，用於檢查一個或多個NIO Channel的狀態是否處於可讀、可寫。如此可以實現單執行緒管理多個channels,也就是可以管理多個網路連結。

為什麼使用Selector（Why Use a Selector?）

用單執行緒處理多個channels的好處是我需要更少的執行緒來處理channel。實際上，你甚至可以用一個執行緒來處理所有的channels。從作業系統的角度來看，切換執行緒開銷是比較昂貴的，並且每個執行緒都需要佔用系統資源，因此暫用執行緒越少越好。

需要留意的是，現代作業系統和CPU在多工處理上已經變得越來越好，所以多執行緒帶來的影響也越來越小。如果一個CPU是多核的，如果不執行多工反而是浪費了機器的效能。不過這些設計討論是另外的話題了。簡而言之，通過Selector我們可以實現單執行緒操作多個channel。

這有一幅示意圖，描述了單執行緒處理三個channel的情況：

建立Selector(Creating a Selector)

建立一個Selector可以通過Selector.open()方法：
Selector selector = Selector.open();

註冊Channel到Selector上(Registering Channels with the Selector)

為了同Selector掛了Channel，我們必須先把Channel註冊到Selector上，這個操作使用SelectableChannel.register()：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
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Channel必須是非阻塞的。所以FileChannel不適用Selector，因為FileChannel不能切換為非阻塞模式。Socket channel可以正常使用。

注意register的第二個引數，這個引數是一個“關注集合”，代表我們關注的channel狀態，有四種基礎型別可供監聽：

Connect
Accept
Read
Write

一個channel觸發了一個事件也可視作該事件處於就緒狀態。因此當channel與server連線成功後，那麼就是“連線就緒”狀態。server channel接收請求連線時處於“可連線就緒”狀態。channel有資料可讀時處於“讀就緒”狀態。channel可以進行資料寫入時處於“寫就緒”狀態。

上述的四種就緒狀態用SelectionKey中的常量表示如下：

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

如果對多個事件感興趣可利用位的或運算結合多個常量，比如：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey`s

在上一小節中，我們利用register方法把Channel註冊到了Selectors上，這個方法的返回值是SelectionKeys，這個返回的物件包含了一些比較有價值的屬性：

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

Interest Set

這個“關注集合”實際上就是我們希望處理的事件的集合，它的值就是註冊時傳入的引數，我們可以用按為與運算把每個事件取出來：

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; 
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Ready Set

“就緒集合”中的值是當前channel處於就緒的值，一般來說在呼叫了select方法後都會需要用到就緒狀態，select的介紹在鬍鬚文章中繼續展開。

int readySet = selectionKey.readyOps();

從“就緒集合”中取值的操作類似於“關注集合”的操作，當然還有更簡單的方法，SelectionKey提供了一系列返回值為boolean的的方法：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();
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Channel + Selector

從SelectionKey操作Channel和Selector非常簡單：

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

我們可以給一個SelectionKey附加一個Object，這樣做一方面可以方便我們識別某個特定的channel，同時也增加了channel相關的附加資訊。例如，可以把用於channel的buffer附加到SelectionKey上：

selectionKey.attach(theObject);

Object attachedObj = selectionKey.attachment();
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附加物件的操作也可以在register的時候就執行：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

從Selector中選擇channel(Selecting Channels via a Selector)

一旦我們向Selector註冊了一個或多個channel後，就可以呼叫select來獲取channel。select方法會返回所有處於就緒狀態的channel。 select方法具體如下：

int select()
int select(long timeout)
int selectNow()
select()方法在返回channel之前處於阻塞狀態。 select(long timeout)和select做的事一樣，不過他的阻塞有一個超時限制。

selectNow()不會阻塞，根據當前狀態立刻返回合適的channel。

select()方法的返回值是一個int整形，代表有多少channel處於就緒了。也就是自上一次select後有多少channel進入就緒。舉例來說，假設第一次呼叫select時正好有一個channel就緒，那麼返回值是1，並且對這個channel做任何處理，接著再次呼叫select，此時恰好又有一個新的channel就緒，那麼返回值還是1，現在我們一共有兩個channel處於就緒，但是在每次呼叫select時只有一個channel是就緒的。

selectedKeys()

在呼叫select並返回了有channel就緒之後，可以通過選中的key集合來獲取channel，這個操作通過呼叫selectedKeys()方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
還記得在register時的操作吧，我們register後的返回值就是SelectionKey例項，也就是我們現在通過selectedKeys()方法所返回的SelectionKey。

遍歷這些SelectionKey可以通過如下方法：

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();
}
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上述迴圈會迭代key集合，針對每個key我們單獨判斷他是處於何種就緒狀態。

注意keyIterator.remove()方法的呼叫，Selector本身並不會移除SelectionKey物件，這個操作需要我們收到執行。當下次channel處於就緒是，Selector任然會吧這些key再次加入進來。

SelectionKey.channel返回的channel例項需要強轉為我們實際使用的具體的channel型別，例如ServerSocketChannel或SocketChannel.

wakeUp()

由於呼叫select而被阻塞的執行緒，可以通過呼叫Selector.wakeup()來喚醒即便此時已然沒有channel處於就緒狀態。具體操作是，在另外一個執行緒呼叫wakeup，被阻塞與select方法的執行緒就會立刻返回。

close()

當操作Selector完畢後，需要呼叫close方法。close的呼叫會關閉Selector並使相關的SelectionKey都無效。channel本身不管被關閉。

完整的Selector案例

這有一個完整的案例，首先開啟一個Selector,然後註冊channel，最後檢測Selector的狀態：

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while (true) {
    int readyChannels = selector.select();
    if (readyChannels == 0) continue;
    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();
    }
}
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參考資料

tutorials.jenkov.com/java-nio/in…