NIO

介绍

在传统的Socket网络模型中，通常使用Blocking IO的形式进行读写，所谓的Blocking IO即BIO，实际上是一种阻塞IO模型。其模型可以概括为，在接收到另一端的数据之前，一直是阻塞状态以等待连接建立和数据接收，只有当连接建立完毕或接收到数据之后，才进一步进行操作，整个过程，线程一直被占用，浪费了大量的CPU资源。从而在JDK1.4之后，提出一种NIO(Non-bloking IO)模型，也是一种epoll模型，即非阻塞模型，用来解决阻塞状态线程占用问题。

原理

NIO模型，是一种非阻塞模型，是以Buffer和Channel作为载体和传输介质，将数据一次写入到Buffer中通过Channel进行传输，一端发送，另一端接收，无需阻塞等待接收。通过监听器的形式，当建立连接或是收到数据之后，监听器会收到来自操作系统底层连接建立消息，则将其转交给其他线程处理。
在传统的BIO模型中，是通过CPU来监听是否有连接建立，而在NIO模型中，通过操作系统底层DMA的支持，无需CPU一直等待，而是将任务转交给DMA处理。同时在NIO中，有一个Selector监听器，对已建立的channel进行轮询，一旦发现有新的事件，如读事件、写事件需要处理，则进一步通过CPU对其进行处理，这个过程可以通过新生成一个Thread对其进行处理。
由于DMA无法直接操作用户态的内存，具体指JVM内存，从而需要zorecopy操作，将数据在内核态缓存区与用户态缓冲区之间进行copy，效率不高。因此，NIO还提供了直接内存映射的方式，即直接通过操作内核态的内存来对数据进行操作，但直接操作内核态内存也带来了内存操作的安全问题。

本文通过介绍一个Buffer的例子和一个Channel的例子来说明其如何使用，并介绍非阻塞IO的使用方法，如果你想知道更多代码，请到我的Gitbub仓库中下载更多的源码，地址：https://github.com/a994947007/My-NIO-test-project

Buffer

上述简要阐述了NIO的原理，本文从Buffer开始详细介绍NIO的特性。
在NIO中，提供了如下几种Buffer。

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

本文以ByteBuffer为例，介绍其使用方法，其他类型Buffer亦是如此。
在Buffer中有4个关键的指标：

• capacity ：容量 ，表示整个Buffer的大小
• limit：界限，表示缓冲区中可以操作的数据大小
• position：位置，表示缓冲区中正在操作的数据大小
• mark：标记，通过mark()记录当前position的位置，之后可以通过reset()进行复位。

几个关键的函数：
Buffer.put(byte[]) ：向缓冲区写数据
Buffer.get(byte[])：从缓冲区读入数据到byte[]中
Buffer.hasRemaining()：缓冲区中是否存在还可以操作的数据
Buffer.remaining()：获取缓冲区中还可以操作的数据量
Buffer.allocate(int)：开辟一个缓冲区

String str = "abc";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put(str.getBytes());
buffer.flip();	//对postion指针进行复位，由于上面put操作后，position指针会变成最后读的位置。

byte [] buf = new byte[buf.limit()];
buffer.get(buf);
System.out.println(new String(bs));
buf.clear();

以上介绍了ByteBuffer的操作流程，其他类型的Buffer操作大同小异。

Channel

本文以FileChannel为例，介绍其使用方法：

文件copy：

		FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:/Feb_21_235618.hsn"), StandardOpenOption.READ);
		FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:/Feb_21_235618_3.hsn"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
		inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);		//连接两个Channel
		
		inChannel.close();
		outChannel.close();

直接使用内核态内存进行文件Copy：

		FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:/Feb_21_235618.hsn"), StandardOpenOption.READ);		//第2个参数表示需要对Channel进行怎样的操作
		FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("G:/Feb_21_235618_3.hsn"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
		
		MappedByteBuffer inMappedBuffer = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
		MappedByteBuffer outMapBuffer = outChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, inChannel.size());
	
		//直接对缓冲区进行数据的读写操作
		byte[] dst = new byte[inMappedBuffer.limit()];
		inMappedBuffer.get(dst);
		outMapBuffer.put(dst);
		inChannel.close();
		outChannel.close();

非阻塞IO（核心）

非阻塞IO也是NIO的核心内容，其能够合理利用CPU资源，提高系统的并发能力。
服务端：

	@Test
	public void server() throws Exception{
		ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
		ssc.configureBlocking(false);	//非阻塞模式
		ssc.bind(new InetSocketAddress(9999));
		
		Selector selector = Selector.open();
		ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);	//将当前通道注册到选择器
		
		while(selector.select() > 0){		//轮询式的获取选择器上已经准备就绪的事件
			Set<SelectionKey> set = selector.selectedKeys();
			Iterator<SelectionKey> it = set.iterator();
			while(it.hasNext()){
				SelectionKey selectionKey = it.next();
				if(selectionKey.isAcceptable()){		//接收连接就绪，则获取连接
					SocketChannel sc = ssc.accept();
					sc.configureBlocking(false);		//将连接切换成非阻塞模式
					sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
				}else if(selectionKey.isReadable()){
					ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
					SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
					int len = 0;
					while((len = sc.read(buf)) > 0){
						buf.flip();
						System.out.println(new String(buf.array(),0,len));
						buf.clear();
					}
				}
				//取消选择键
				it.remove();
			}
		}
		selector.close();
		ssc.close();
	}

其核心步骤，需要一个Selector来进行事件监听，当收到accept事件之后，将Channel切换成非阻塞模式继续注册到Selector中，并通过，然后继续通过轮询，监听其readable事件，当收到事件后，对其进行处理，这里也可以通过一个新的线程进行处理，本文未做扩展，有兴趣的同学可以去我的Github下载源码，查看其具体操作。

客户端：

	@Test
	public void client() throws Exception{
		Scanner scan = new Scanner(System.in);
		SocketChannel sc = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
		sc.configureBlocking(false);		//设置成非阻塞模式
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		while(scan.hasNext()){
			String str = scan.next();
			buf.put(str.getBytes());
			buf.flip();
			sc.write(buf);
			buf.clear();
		}
		
		scan.close();
		sc.close();
	}

总结

本文简要介绍了NIO的原理，介绍了ByteBuffer、FileChannel和非阻塞ServerSocketChannel的使用方法，其核心为非阻塞IO的使用。
更多内容可以在参考文献中查找，或在我的Github下，下载相关源码进行练习。

参考文献

NIO教程 http://ifeve.com/java-nio-all/
JAVA IO 以及 NIO 理解 https://www.cnblogs.com/hapjin/p/5736188.html
https://github.com/a994947007/My-NIO-test-project