一、寫在開頭
我們在上一篇博文中提到了Java IO中常見得三大模型（BIO，NIO，AIO），其中NIO是我們在日常開發中使用比較多的一種IO模型，我們今天就一起來詳細的學習一下。
在傳統的IO中，多以這種同步阻塞的IO模型為主，程式發起IO請求後，處理執行緒處於阻塞狀態，直到請求的IO資料從核心空間複製到使用者空間。如下圖可以直觀的體現整個流程（圖源：沉默王二）。
如果發起IO的應用程式併發量不高的情況下，這種模型是沒問題的。但很明顯，當前的網際網路中，很多應用都有高併發IO請求的情況，這時就迫切的需要一款高效的IO模型啦。
NIO中的這個N既可以命名為NEW代表一種新型的IO模型，又可以理解為Non-Blocking，非阻塞之意。Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基於通道（Channel）和緩衝區（Buffer）進行操作，採用非阻塞式 IO 操作，允許執行緒在等待 IO 時執行其他任務。常見的 NIO 類有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。（圖源：深入拆解Tomcat & Jetty）
雖然在應用發起IO請求時，之多多次發起，無須阻塞。但在核心將資料複製到使用者空間時，還是會阻塞的，為了保證資料的準確性和系統的安全穩定。
二、NIO的三大元件
在計算機與外部通訊過程中，並非所有場景下NIO的效能都會好，對於連線少，併發地的應用系統中傳統的BIO效能反而更好，因為在NIO中應用程式需要不斷進行 I/O 系統呼叫輪詢資料是否已經準備好的過程是十分消耗 CPU 資源的。
為了更好的熟悉和掌握NIO，我們這裡從NIO的三大元件入手，這也是很多大廠面試官在面試時會問到的點，雖然頻率不高，但一定得會！
三個核心元件：
- Selector(選擇器)： 一種基於事件驅動的I/O多路複用模型，允許一個執行緒處理多個Channel，多個Channel註冊到一個Selector上，然後由Selector進行輪詢監聽每一個Channel的變化。
- Channel（通道)： 是一個雙向的，可讀可寫的資料傳輸管道，透過它來實現資料的輸入與輸出工作，它只負責運輸資料，不負責處理資料，處理資料在Buffer中。一般將管道分為檔案通道和套接字通道。
- Buffer（緩衝區)： NIO中資料的操作都是在緩衝區中完成的。讀操作是將Channel中運輸過來的資料填充到Buffer中；寫操作是將Buffer中的資料寫入到Channel中。
為了更好的理解NIO基於三大核心元件的執行流程，畫了一個思維導圖，如下：
三、元件詳解
下面，我們針對上一章總結的三大元件，進行一個個的詳細介紹。
3.1 Buffer(緩衝區)
在傳統的BIO中，資料的讀寫操作是基於流的，寫入採用輸入位元組流或字元流，而寫出採用都的是輸出位元組流或者字元流，本質上都是基於位元組的資料操作。而NIO庫中，採用的是緩衝區，無論是寫入還是寫出資料，都不會進入到緩衝區裡，由緩衝區進行下一步的操作。
上圖是Buffer子類的繼承關係結構圖，我們可以看到，在Buffer中命名是基於基本資料型別的，而我們在日常使用中，ByteBuffer緩衝類最多，它是基於位元組儲存的，這一點和流一樣。
而進入到這些緩衝類的內部夠，我們可以發現，其實它們就相當於一個陣列容器。在Buffer的原始碼中，有這樣的幾個引數：
public abstract class Buffer {
// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;
}
這四個成員變數的具體含義如下：
- 容量（capacity）：Buffer可以儲存的最大資料量，Buffer建立時設定且不可改變；
- 界限（limit）：Buffer 中可以讀/寫資料的邊界。寫模式下，limit 代表最多能寫入的資料，一般等於 capacity（可以透過limit(int newLimit)方法設定）；讀模式下，limit 等於 Buffer 中實際寫入的資料大小；
- 位置（position）：下一個可以被讀寫的資料的位置（索引）。從寫操作模式到讀操作模式切換的時候（flip），position 都會歸零，這樣就可以從頭開始讀寫了；
- 標記（mark）：Buffer允許將位置直接定位到該標記處，這是一個可選屬性。
並且，上述變數滿足如下的關係：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。
這裡我們需要注意一點，Buffer擁有讀和寫兩種模式。Buffer被建立後，預設是寫模式 ，呼叫flip()可以切換到讀模式，再呼叫clear()或者compact()方法切換為寫模式。
1️⃣ Buffer的例項化
Buffer無法透過呼叫構造方法來建立物件，而是需要透過靜態方法進行例項化。我們以ByteBuffer為例：
// 分配堆記憶體，將緩衝區建立在JVM的記憶體中
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接記憶體，將緩衝區建立在實體記憶體中，可以提交效率。但這裡的資料不會被垃圾回收，容易導致記憶體溢位。
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);
2️⃣ Buffer的核心方法
Buffer中我們常用的方法有：
- get : 讀取緩衝區的資料；
- put ：向緩衝區寫入資料；
- flip ：將緩衝區從寫模式切換到讀模式，它會將 limit 的值設定為當前 position 的值，將 position 的值設定為 0；
- clear: 清空緩衝區，將緩衝區從讀模式切換到寫模式，並將 position 的值設定為 0，將 limit 的值設定為 capacity 的值。
3️⃣ Buffer的測試用例
基於以上的理論知識學習後，我們寫一個小的測試demo，來感受一下Buffer的使用。
【測試案例】
public class TestBuffer {
public static void main(String[] args) {
// 分配一個容量為8的CharBuffer，預設為寫模式
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
System.out.println("起始狀態：");
printState(buffer);
// 向buffer寫入3個字元
buffer.put('a').put('b').put('c');
System.out.println("寫入3個字元後的狀態：");
printState(buffer);
// 呼叫flip()方法，切換為讀模式，
// 準備讀取buffer中的資料，將 position 置 0,limit 置 3
buffer.flip();
System.out.println("呼叫flip()方法後的狀態：");
printState(buffer);
// 讀取字元
//hasRemaining()方法用於判斷當前位置和限制之間是否有任何元素。
//當且僅當此緩衝區中至少剩餘一個元素時，此方法才會返回true。
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.println("讀取字元：" + buffer.get());
}
// 呼叫clear()方法，清空緩衝區，將 position 的值置為 0，將 limit 的值置為 capacity 的值
//呼叫clear()方法後，由讀模式切換為寫模式。
buffer.clear();
System.out.println("呼叫clear()方法後的狀態：");
printState(buffer);
}
// 列印buffer的capacity、limit、position、mark的位置
private static void printState(CharBuffer buffer) {
//容量
System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());
//界限
System.out.print(", limit: " + buffer.limit());
//下一個讀寫位置
System.out.print(", position: " + buffer.position());
//標記
System.out.print(", mark 開始讀取的字元: " + buffer.mark());
System.out.println("\n");
}
}
【輸出：】
起始狀態：
capacity: 8, limit: 8, position: 0, mark 開始讀取的字元:
寫入3個字元後的狀態：
capacity: 8, limit: 8, position: 3, mark 開始讀取的字元:
呼叫flip()方法後的狀態：
capacity: 8, limit: 3, position: 0, mark 開始讀取的字元: abc
讀取字元：a
讀取字元：b
讀取字元：c
呼叫clear()方法後的狀態：
capacity: 8, limit: 8, position: 0, mark 開始讀取的字元: abc
3.2 Channel（通道）
在上面的總結中，我們已經提過了，Channel作為一種雙向的資料通道，給外部屬於與程式之間搭建了一個傳輸的橋樑。讀操作的時候將 Channel 中的資料填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的資料寫入到 Channel 中。甚至還可以同時讀寫！
Channel 的子類如下圖所示。
這裡雖然有很多通道類，但我們在日常生活中常用的，無非是 FileChannel：檔案訪問通道；SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通訊通道；DatagramChannel：UDP 通訊通道；
FileChannel：用於檔案 I/O 的通道，支援檔案的讀、寫和追加操作。FileChannel 允許在檔案的任意位置進行資料傳輸，支援檔案鎖定以及記憶體對映檔案等高階功能。FileChannel 無法設定為非阻塞模式，因此它只適用於阻塞式檔案操作。
SocketChannel：用於 TCP 套接字 I/O 的通道。SocketChannel 支援非阻塞模式，可以與 Selector（下文會講）一起使用，實現高效的網路通訊。SocketChannel 允許連線到遠端主機，進行資料傳輸。
與之匹配的有ServerSocketChannel：用於監聽 TCP 套接字連線的通道。與 SocketChannel 類似，ServerSocketChannel 也支援非阻塞模式，並可以與 Selector 一起使用。ServerSocketChannel 負責監聽新的連線請求，接收到連線請求後，可以建立一個新的 SocketChannel 以處理資料傳輸。
DatagramChannel：用於 UDP 套接字 I/O 的通道。DatagramChannel 支援非阻塞模式，可以傳送和接收資料包包，適用於無連線的、不可靠的網路通訊。
1️⃣ Channel的核心方法
- read ：讀取資料並寫入到 Buffer 中；
- write ：將 Buffer 中的資料寫入到 Channel 中。
2️⃣ Channel的測試案例
RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("E:\\testChannel.txt", "r");
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
System.out.println("讀取字元：" + new String(buffer.array()));
3.3 Selector（選擇器）
選擇器的概念在上面已經介紹過了，我們現在主要介紹它的運作原理：
透過 Selector 註冊通道的事件，Selector 會不斷地輪詢註冊在其上的 Channel。當事件發生時，比如：某個 Channel 上面有新的 TCP 連線接入、讀和寫事件，這個 Channel 就處於就緒狀態，會被 Selector 輪詢出來。Selector 會將相關的 Channel 加入到就緒集合中。透過 SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合，然後對這些就緒的 Channel 進行相應的 I/O 操作。
主要監視事件型別：
- SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受連線的事件，這通常用於 ServerSocketChannel；
- SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成連線的事件，這通常用於 SocketChannel；
- SelectionKey.OP_READ：表示通道準備好進行讀取的事件，即有資料可讀；
- SelectionKey.OP_WRITE：表示通道準備好進行寫入的事件，即可以寫入資料。
SelectionKey集合：
- 所有的 SelectionKey 集合：代表了註冊在該 Selector 上的 Channel，這個集合可以透過 keys() 方法返回；
- 被選擇的 SelectionKey 集合：代表了所有可透過 select() 方法獲取的、需要進行 IO 處理的 Channel，這個集合可以透過 selectedKeys() 返回；
- 被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消註冊關係的 Channel，在下一次執行 select() 方法時，這些 Channel 對應的 SelectionKey 會被徹底刪除，程式通常無須直接訪問該集合，也沒有暴露訪問的方法。
Selector中的select()方法：
- int select()：監控所有註冊的 Channel，當它們中間有需要處理的 IO 操作時，該方法返回，並將對應的 SelectionKey 加入被選擇的 SelectionKey 集合中，該方法返回這些 Channel 的數量；
- int select(long timeout)：可以設定超時時長的 select() 操作；
- int selectNow()：執行一個立即返回的 select() 操作，相對於無引數的 select() 方法而言，該方法不會阻塞執行緒；
- Selector wakeup()：使一個還未返回的 select() 方法立刻返回。
【測試案例】
public static void main(String[] args) {
try {
//1、透過open()方法構建一個服務套接字通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//封裝8080埠
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
//2、透過open方法構建一個選擇器物件
Selector selector = Selector.open();
// 將 ServerSocketChannel 註冊到 Selector 並監聽 OP_ACCEPT 事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
//監聽已註冊的通道中是否有連線事件，並將對應的 SelectionKey 加入被選擇的 SelectionKey 集合中
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) {
continue;
}
//透過selectedKeys返回所有需要進行 IO 處理的 Channel
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
// 處理連線事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
// 將客戶端通道註冊到 Selector 並監聽 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 處理讀事件
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = client.read(buffer);
if (bytesRead > 0) {
buffer.flip();
System.out.println("收到資料：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
// 將客戶端通道註冊到 Selector 並監聽 OP_WRITE 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
} else if (bytesRead < 0) {
// 客戶端斷開連線
client.close();
}
} else if (key.isWritable()) {
// 處理寫事件，立刻返回結果
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
client.write(buffer);
// 將客戶端通道註冊到 Selector 並監聽 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
keyIterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
上面的程式碼建立了一個基於 Java NIO 的簡單 TCP 伺服器。它使用 ServerSocketChannel 和 Selector 實現了非阻塞 I/O 和 I/O 多路複用。伺服器迴圈監聽事件，當有新的連線請求時，接受連線並將新的 SocketChannel 註冊到 Selector，關注 OP_READ 事件。當有資料可讀時，從 SocketChannel 中讀取資料並寫入 ByteBuffer，然後將資料從 ByteBuffer 寫回到 SocketChannel。
四、總結
到這裡基本上就把NIO的幾個重要的元件介紹完啦，肯定不能面面俱到，大家想更多瞭解的，還是要多翻看不同的書籍。同時，後面我們將基於這部分內容，寫一個小型的聊天室。