NIO_Java 开发基础与工程实践

标准的 Java IO API，你操作的对象是字节流(byte stream)或者字符流(character stream)，而 NIO，你操作的对象是 channels 和 buffers。数据总是从一个 channel 读到一个 buffer 上，或者从一个 buffer 写到 channel 上。比如一个线程里，可以从一个 channel 读取数据到一个 buffer 上，在 channel 读取数据到 buffer 的时候，线程可以做其他的事情。当数据读取到 buffer 上后，线程可以继续处理它。

Java NIO 有三个核心组件(core components)：Channels、Buffers、Selectors。

Channel（通道）

Channel 和传统 IO 中的 Stream 流很相似。只不过 Stream 是单向的，要么是 InputStream 只能进行读，要么是 OutputStream 只能进行写。而 Channel 是双向的。以下是常用的几种通道：

FileChannel: 可以向文件读写数据
SocketChanel: 以 TCP 来向网络连接的两端读写数据
ServerSocketChanel: 能够监听客户端发起的 TCP 连接，并为每个 TCP 连接创建一个新的 SocketChannel
DatagramChannel: 以 UDP 协议来向网络连接的两端读写数据

Buffer（缓冲区）

Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

Buffer（缓冲区）

上图描述了客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的全部过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入 Buffer 中，然后将 Buffer 中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过 Channel 将数据读入到 Buffer 中，然后再从 Buffer 中取出数据来处理。

Selector（选择器）

Selector 类是 NIO 的核心类，Selector 能够检测多个注册的通道 Channel 上是否有事件发生，如果有，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样一来，只用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写。这种方式不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，大大地减少了系统开销。

与 Selector 有关的一个关键类是 SelectionKey，一个 SelectionKey 表示一个到达的事件，这 2 个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。下图表示单线程运行的 Selector 同时管理多个通道（连接）。

多通道

Selector 的创建和可以设置监听的事件如下：

Selector selector = Selector.open();  // 创建 Selector
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);   // 将通道注册到 Selector 上
// register 的第二个参数指明监听哪些事件，可选的值有：
// Connect - 连接就绪
// Accept - 接收就绪
// Read - 读就绪
// Write - 写就绪
// 与之对应的检测 Channel 中什么事件或操作已经就绪的函数为：
selectionKey.isConnectable();  // 是否连接就绪
selectionKey.isAcceptable();    // 是否接收就绪
selectionKey.isReadable();      // 是否读就绪
selectionKey.isWritable();        // 是否写就绪Copy to clipboardErrorCopied

Java NIO 代码示例

下面结合示例代码，进一步理解 Java NIO 中的各项概念。

// 创建 Selector
Selector selector = Selector.open();
// 创建 ServerSocketChannel 并绑定到指定端口
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 1234));
// 设置 ServerSocketChannel 为 non-blocking
server.configureBlocking(false);
// 将 server channel 注册到 selector 并设置监听 OP_ACCEPT 事件
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
    // selector 被 select() 阻塞
    // select() 会把注册的事件添加到 SelectionKeys (只增不减)
    if (selector.select() == 0) {
        continue;
    }
    // 获得 SelectionKey 集合, 每一个 Selectionkey 对应着一个已注册的 Channel
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
        // 获取与 client 相连的 SocketChannel
        SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
        // 同样设置为 non-blocking
        channel.configureBlocking(false);
            // 这里可以向 client 发送信息
            channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息!").getBytes()));
            // 将此 channel 的 OP_READ 事件注册到 selector
            channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    // 如果 channel 可读
    if (key.isReadable()) {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            channel.read(buffer);
    }
    // 由于 select() 对 SelectionKey 集合只增不减 这里需手动移除 key
    keys.remove(key);
    }
}

下一节：Netty 是一个异步网络库，使 Java NIO 的功能更好用。