NIO基础详解
- 2019 年 10 月 5 日
- 筆記
Netty 是基于Java NIO 封装的网络通讯框架，只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底层设计。Java NIO 由三个核心组件组件：
- Buffer
- Channel
- Selector
缓冲区 Buffer
Buffer 是一个数据对象，我们可以把它理解为固定数量的数据的容器，它包含一些要写入或者读出的数据。
在 Java NIO 中，任何时候访问 NIO 中的数据，都需要通过缓冲区（Buffer）进行操作。读取数据时，直接从缓冲区中读取，写入数据时，写入至缓冲区。NIO 最常用的缓冲区则是 ByteBuffer。下图是 Buffer 继承关系图：
每一个 Java 基本类型都对应着一种 Buffer，他们都包含这相同的操作，只不过是所处理的数据类型不同而已。
通道 Channel
Channel 是一个通道，它就像自来水管一样，网络数据通过 Channel 这根水管读取和写入。传统的 IO 是基于流进行操作的，Channle 和类似，但又有些不同：
|
区别 |
流 |
通过Channel |
|---|---|---|
|
支持异步 |
不支持 |
支持 |
|
是否可双向传输数据 |
不能，只能单向 |
可以，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据 |
|
是否结合 Buffer 使用 |
不 |
必须结合 Buffer 使用 |
|
性能 |
较低 |
较高 |
正如上面说到的，Channel 必须要配合 Buffer 一起使用，我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中，同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中，如下：
简单点说，Channel 是数据的源头或者数据的目的地，用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据，并且对 I/O 提供异步支持。
下图是 Channel 的类图（http://blog.csdn.net/tsyj810883979/article/details/6876594）
Channel 为最顶层接口，所有子 Channel 都实现了该接口，它主要用于 I/O 操作的连接。定义如下：
public interface Channel extends Closeable { /** * 判断此通道是否处于打开状态。 */ public boolean isOpen(); /** *关闭此通道。 */ public void close() throws IOException; }
最为重要的Channel实现类为：
- FileChannel：一个用来写、读、映射和操作文件的通道
- DatagramChannel：能通过 UDP 读写网络中的数据
- SocketChannel: 能通过 TCP 读写网络中的数据
- ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，像 Web 服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel
多路复用器 Selector
多路复用器 Selector，它是 Java NIO 编程的基础，它提供了选择已经就绪的任务的能力。从底层来看，Selector 提供了询问通道是否已经准备好执行每个 I/O 操作的能力。简单来讲，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel，如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，进行后续的 I/O 操作。
Selector 允许一个线程处理多个 Channel ，也就是说只要一个线程复杂 Selector 的轮询，就可以处理成千上万个 Channel ，相比于多线程来处理势必会减少线程的上下文切换问题。下图是一个 Selector 连接三个 Channel ：
实例
服务端
public class NIOServer { /*接受数据缓冲区*/ private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*发送数据缓冲区*/ private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); private Selector selector; public NIOServer(int port) throws IOException { // 打开服务器套接字通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 服务器配置为非阻塞 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 检索与此通道关联的服务器套接字 ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket(); // 进行服务的绑定 serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port)); // 通过open()方法找到Selector selector = Selector.open(); // 注册到selector，等待连接 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server Start----:"); } // private void listen() throws IOException { while (true) { selector.select(); Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); iterator.remove(); handleKey(selectionKey); } } } private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException { // 接受请求 ServerSocketChannel server = null; SocketChannel client = null; String receiveText; String sendText; int count=0; // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。 if (selectionKey.isAcceptable()) { // 返回为之创建此键的通道。 server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel(); // 接受到此通道套接字的连接。 // 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。 client = server.accept(); // 配置为非阻塞 client.configureBlocking(false); // 注册到selector，等待连接 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { // 返回为之创建此键的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取 receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中 count = client.read(receivebuffer); if (count > 0) { receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { //将缓冲区清空以备下次写入 sendbuffer.clear(); // 返回为之创建此键的通道。 client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText="message from server--"; //向缓冲区中输入数据 sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位 sendbuffer.flip(); //输出到通道 client.write(sendbuffer); System.out.println("服务器端向客户端发送数据--："+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } /** * @param args * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { int port = 8080; NIOServer server = new NIOServer(port); server.listen(); } }
客户端
public class NIOClient { /*接受数据缓冲区*/ private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*发送数据缓冲区*/ private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); public static void main(String[] args) throws IOException { // 打开socket通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 设置为非阻塞方式 socketChannel.configureBlocking(false); // 打开选择器 Selector selector = Selector.open(); // 注册连接服务端socket动作 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); // 连接 socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080)); Set<SelectionKey> selectionKeys; Iterator<SelectionKey> iterator; SelectionKey selectionKey; SocketChannel client; String receiveText; String sendText; int count=0; while (true) { //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。 //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。 selector.select(); //返回此选择器的已选择键集。 selectionKeys = selector.selectedKeys(); //System.out.println(selectionKeys.size()); iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { selectionKey = iterator.next(); if (selectionKey.isConnectable()) { System.out.println("client connect"); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 判断此通道上是否正在进行连接操作。 // 完成套接字通道的连接过程。 if (client.isConnectionPending()) { client.finishConnect(); System.out.println("完成连接!"); sendbuffer.clear(); sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes()); sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); } client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取 receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中 count=client.read(receivebuffer); if(count>0){ receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { sendbuffer.clear(); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText = "message from client--"; sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位 sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); System.out.println("客户端向服务器端发送数据--："+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } selectionKeys.clear(); } } }
运行结果
谢谢阅读，祝好!!!
参考
- Java NIO 系列教程
- Netty 权威指南（第2版）
