Netty-01-快速掌握Java NIO

HGW6892023-08-30 15:05

文章目录

  • [一、从传统I/O到Java NIO](#一、从传统I/O到Java NIO)
  • [二、NIO 三大组件](#二、NIO 三大组件)
    • [1. Channel（通道）](#1. Channel（通道）)
      • [1.1. FileChannel](#1.1. FileChannel)
        • [1.1.1. 获取 FileChannel](#1.1.1. 获取 FileChannel)
        • [1.1.2. FileChannel 读取 文件](#1.1.2. FileChannel 读取 文件)
        • [1.1.3. FileChannel写⽂件](#1.1.3. FileChannel写⽂件)
        • [1.1.4. 通道之前传输数据-transferFrom](#1.1.4. 通道之前传输数据-transferFrom)
        • [1.1.5. 通道之前传输数据-transferTo](#1.1.5. 通道之前传输数据-transferTo)
      • [1.2. SocketChannel](#1.2. SocketChannel)
      • [1.3. ServerSocketChannel](#1.3. ServerSocketChannel)
      • [1.4. DatagramChannel](#1.4. DatagramChannel)
    • [2. Buffer（缓冲区）](#2. Buffer（缓冲区）)
      • [2.1. ByteBuffer 正确使用姿势](#2.1. ByteBuffer 正确使用姿势)
      • [2.2. 分配空间](#2.2. 分配空间)
      • [2.3. 向 buffer 写入数据](#2.3. 向 buffer 写入数据)
      • [2.4. 从 buffer 读数据](#2.4. 从 buffer 读数据)
      • [2.5. 常见方法](#2.5. 常见方法)
      • [2.6. 字符串与 ByteBuffer 相互转换](#2.6. 字符串与 ByteBuffer 相互转换)
    • [3. Selector（选择器）](#3. Selector（选择器）)
      • [1、绑定 channel 事件](#1、绑定 channel 事件)
      • [2、监听 channel 事件](#2、监听 channel 事件)
      • [3、SelectionKey 选择键](#3、SelectionKey 选择键)
      • 4、使用示例
  • [三、NIO 实现网络编程](#三、NIO 实现网络编程)
    • [1. 服务端实现](#1. 服务端实现)
    • [2. 客户端实现](#2. 客户端实现)
  • [四、NIO 包中其他类](#四、NIO 包中其他类)
    • [1. Pipe](#1. Pipe)
    • [2. FileLock](#2. FileLock)
    • [3. Path](#3. Path)
    • [4. Files](#4. Files)

一、从传统I/O到Java NIO

Blocking IO也称为BIO，即同步阻塞IO。Java的io包基于流模型实现，提供了File、FileInputStream、FileOutputStream等输⼊输出流的功能。Java的io包下提供的流操作，交互⽅式是同步且阻塞的⽅式，在输⼊输出流的操作进⾏读、写动作完成之前，线程会⼀直阻塞 。因此io包中对流的操作容易造成性能的瓶颈。

而 NIO是一种基于缓冲区、非阻塞 的 I/O 操作方式，首先Java NIO提供管道channel，同时自身提供了一个缓冲区buffer。比如读数据时，数据先进入缓冲区，然后再用 Channel 从缓冲区读出数据，数据处理后放入任意的介质。其次 NIO为了实现非阻塞设计了组件Selector，Selector的具体工作是负责网络连接、网络读和网络写事件的注册和监测。网络连接、网络读、网络写这三类网络事件先要注册到 Selector上，然后由Selector监控这三类网络事件的发生。当网络事件发生时线程再处理，如果没发生，那么线程也不会阻塞，这样就可以充分地利用 CPU 资源了。

由此可见，NIO 充分利用了 CPU，所以在性能上有明显的提升。

NIO，全拼是 non-blocking io，即 非阻塞IO。（网络上也有很多将NIO的N翻译成New，这是因为NIO是在Java 1.4版本中新增加的一种I/O模型。）与传统的I/O模型不同，NIO提供了一种基于缓冲区（Buffer）和通道（Channel）的I/O操作方式。

NIO的主要优势在于它可以实现非阻塞式I/O操作，从而提高了系统的并发处理能力。在传统的I/O模型中，当一个线程在进行I/O操作时，其他线程会被阻塞，直到I/O操作完成。而在NIO模型中，线程可以继续执行其他的任务，而不必等待I/O操作完成。这种非阻塞式的I/O操作方式可以提高系统的吞吐量和响应速度，特别是在高并发的情况下。

(Netty-01-快速掌握Java NIO.assets/image-20230823193756735.png)]

二、NIO 三大组件

根据上面讲述的，我们知道 Java NIO 主要有三个模块：Buffer 、Channel和 Selector。

buffer好比是一个蓄水池（它可以存储数据，以便在需要时进行处理），channel就是水管（用于传递数据），selector管理着多个水管，并根据一定的条件选择数据传递给相应的蓄水池（Buffer）进行处理。
Channel 1 Channel 2 Buffer 1 Buffer 2 Selector

1. Channel（通道）

channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层。
channel buffer

Channel即通道，表示打开IO设备的连接，⽐如打开到⽂件、Socket套接字的连接。在使⽤NIO时，必须要获取⽤于连接IO设备的通道以及⽤于容纳数据的缓冲区。通过操作缓冲区，实现对数据的处理。也就是说数据是保存在buffer缓冲区中的，需要通过Channel来操作缓冲区中的数据。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0t8y1Kag-1692957566929)(Netty-01-快速掌握Java NIO.assets/image-20230822200734031.png)]

Channel的主要实现类有以下⼏个：

  • FileChannel：读写⽂件的通道
  • SocketChannel：读写TCP⽹络数据的通道
  • ServerSocketChannel：像web服务器⼀样，监听新进来的TCP连接，为连接创建SocketChannel
  • DatagramChannel：读写UDP⽹络数据的通道

1.1. FileChannel

FileChannel是Java NIO中用于对文件进行读写、映射和操作的通道（Channel）。它是连接应用程序与文件之间的桥梁，提供了更高效和灵活的文件操作方式。

注意：FileChannel只能工作在阻塞模式下

⽂件通道是连接到⽂件的可搜索字节通道。它在其⽂件中有⼀个当前位置，可以查询和修改。

⽂件本身包含可变⻓度的字节序列，可以读取和写⼊，并且可以查询其当前⼤⼩。当写⼊的字节超过其当前⼤⼩时，⽂件的⼤⼩增加；⽂件被截断时，其⼤⼩会减⼩。⽂件还可能具有⼀些相关联的元数据，如访问权限、内容类型和上次修改时间；此类不定义元数据访问的⽅法。

多个并发线程使⽤⽂件通道是安全的。根据通道接⼝的指定，可以随时调⽤close⽅法。在任何给定时间，只有⼀个涉及通道位置或可以改变其⽂件⼤⼩的操作正在进⾏；在第⼀个操作仍在进⾏时尝试发起第⼆个这样的操作将被阻⽌，直到第⼀个操作完成。其他⾏动，特别是采取明确⽴场的⾏动，可以同时进⾏；它们是否真的这样做取决于底层实现，因此没有具体说明。

1.1.1. 获取 FileChannel

不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法

  • 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
  • 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
  • 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定

1.1.2. FileChannel 读取 文件

会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾

java 复制代码 
int readBytes = channel.read(buffer);

如下～

java 复制代码 
public class FileChannelDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建随机访问流
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        // 获取FileChannel
        FileChannel fileChannel = file.getChannel();
        // 创建Buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 读取数据到buffer中
        while ((fileChannel.read(buffer)) != -1) {
            // 将写模式切换成读模式
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
            buffer.clear();
        }
        file.close();
        System.out.println("\n" + "读取完毕");
    }
}

1.1.3. FileChannel写⽂件

写入的正确姿势如下，在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel

java 复制代码 
ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式

while(buffer.hasRemaining()) {
    channel.write(buffer);
}

如下～

java 复制代码 
public class FileChannelDemo02 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建随机访问流
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("2.txt", "rw");
        // 获取FileChannel
        FileChannel fileChannel = file.getChannel();
        // 创建Buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        String data = "hello file channel";
        // 存入buffer
        buffer.put(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        // 读写模式转换
        buffer.flip();
        // 把buffer中的数据写入文件
        fileChannel.write(buffer);
        // 关闭
        file.close();
    }
}

1.1.4. 通道之前传输数据-transferFrom

java 复制代码 
public class FileChannelDemo03 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获取两个文件的FileChannel
        RandomAccessFile srcFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        FileChannel srcFileChannel = srcFile.getChannel();
        RandomAccessFile descFile = new RandomAccessFile("2.txt", "rw");
        FileChannel descFileChannel = descFile.getChannel();
        // src->dest
        descFileChannel.transferFrom(srcFileChannel, 0, srcFileChannel.size());
        // 关闭
        srcFileChannel.close();
        descFileChannel.close();
        System.out.println("传输完成");
    }
}

1.1.5. 通道之前传输数据-transferTo

效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化，有个上限是 2G

java 复制代码 
public class FileChannelDemo04 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获取两个文件的FileChannel
        RandomAccessFile srcFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        FileChannel srcFileChannel = srcFile.getChannel();
        RandomAccessFile descFile = new RandomAccessFile("2.txt", "rw");
        FileChannel descFileChannel = descFile.getChannel();
        // src->dest
        srcFileChannel.transferTo(0, srcFileChannel.size(), descFileChannel);
        // 关闭
        srcFileChannel.close();
        descFileChannel.close();
        System.out.println("传输完成");
    }
}

1.2. SocketChannel

SocketChannel是连接到TCP网络套接字的通道，主要用于处理网络IO操作。它代表了客户端与服务器之间的通信通道，通过Socket套接字实现双向的数据传输。SocketChannel可以被选择器（Selector）多路复用，使得单个线程可以同时管理多个通道的事件。它基于TCP连接传输数据，提供高性能、可靠的网络通信功能。SocketChannel在Java NIO中扮演着重要的角色，被广泛应用于构建网络客户端和其他需要进行网络IO操作的应用程序。

注意：

  • 不能在已经存在的Socket上再创建SocketChannel
  • SocketChannel需要指明关联的服务器地址及端⼝后才能使⽤
  • 未进⾏连接的SocketChannel进⾏IO操作时将抛出NotYetConnectedException异常
  • SocketChannel⽀持阻塞和⾮阻塞两种模式
  • SocketChannel⽀持异步关闭
  • SocketChannel⽀持设定参数
    • SO_SNDBUF：Socket发送缓冲区的⼤⼩
    • SO_RCVBUF：Socket接受缓冲区的⼤⼩
    • SO_KEEPALIVE：保活连接
    • SO_REUSEADDR：复⽤地址
    • SO_LINGER：有数据传输时延缓关闭Channel (只在⾮阻塞模式下使⽤)
    • TCP_NODELAY：禁⽤Nagle算法

可以通过以下方式创建SocketChannel：

java 复制代码 
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
// 或者
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

SocketChannel⽀持阻塞和⾮阻塞两种模式

java 复制代码 
// 设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

读取操作：

java 复制代码 
public class SocketChannelDemo02 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        socketChannel.configureBlocking(true);
        if (socketChannel.isConnectionPending()) {
            socketChannel.finishConnect();
        }
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        socketChannel.read(byteBuffer);
        System.out.println("读取到的内容：" + new String(byteBuffer.array()));
        socketChannel.close();
    }
}

通过以下方法进行判断连接状态～

  • socketChannel.isOpen(): 判断SocketChannel是否为open状态

  • socketChannel.isConnected(): 判断SocketChannel是否已连接

  • socketChannel.isConnectionPending(): 判断SocketChannel是否正在进⾏连接

  • socketChannel.finishConnect(): 完成连接，如果此通道已连接，则此⽅法将不会阻塞，并将⽴即返回true。如果此通道处于⾮阻塞模式，则如果连接过程尚未完成，则此⽅法将返回false。如果此通道处于阻塞模式，则此⽅法将阻塞，直到连接完成或失败，并且将始终返回true或抛出⼀个描述失败的检查异常。

1.3. ServerSocketChannel

ServerSocketChannel是⼀个基于通道的Socket监听器，能够实现⾮阻塞模式。ServerSocketChannel的主要作⽤是⽤来监听端⼝的连接，来创建SocketChannel。也就是说，可以调⽤ServerSocketChannel的accept⽅法，来创建SocketChannel对象。

java 复制代码 
public class ServerSocketChannelDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap("Hello server socket".getBytes());
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接");
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel != null) {
                System.out.println("有新的连接：" + socketChannel.socket().getRemoteSocketAddress());
                socketChannel.write(byteBuffer);
            } else {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

1.4. DatagramChannel

DatagramChannel对象关联着⼀个DatagramSocket对象。DatagramChannel基于UDP⽆连接协议，每个数据报都是⼀个⾃包含的实体，拥有它⾃⼰的⽬的地址及数据负载。DatagramChannel可以发送单独的数据报给不同的⽬的地，同样也可以接受来⾃于任意地址的数据报。

接收方

java 复制代码 
public class DatagramChannelReceive {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获得channel
        DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();
        // 绑定端口
        datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 接收消息
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        while (true) {
            SocketAddress address = datagramChannel.receive(byteBuffer);
            if (address == null) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } else {
                byteBuffer.flip();
                System.out.println(address.toString() + "发来消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                byteBuffer.clear();
            }
        }
    }
}

发送方

java 复制代码 
public class DatagramChannelSend {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();
        InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080);
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap("Hello datagram channel".getBytes());
        datagramChannel.send(byteBuffer, socketAddress);
    }
}

2. Buffer（缓冲区）

Buffer 在读写的过程中起到的是数据缓冲的作用。首先，我们可以通过内存把数据写入我们事先定义的一个 Buffer 中（当然，Buffer 也是内存的一部分），然后把 Buffer 的数据读出来再写入磁盘保存起来，或者通过网卡发送出去。也就是说，Buffer 是用来读写的缓冲区。

Buffer（缓冲区）本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以读取数据。代表缓冲区的 Buffer 类是一个抽象类，位于 java.nio 包中。类与普通的内存块（Java 数组）不同的是： Buffer 类对象提供了一组比较有效的方法，用来进行写入和读取。

Buffer 类同时也是一个非线程安全类，对应于 Java 的主要数据类型，在 NIO 中有 8 种缓冲区类，分别如下：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、 ShortBuffer 和 MappedByteBuffer。

其中，我们用得最普遍的是 ByteBuffer，其他数据类型的 Buffer 很少用。

ByteBuffer 内部维护的是一个字节数组（byte array），内部维护了以下几个重要参数：

  • capacity：表示ByteBuffer内部缓冲区的容量大小，即它最多能够存放多少字节数据。
  • limit：表示ByteBuffer中当前有效数据的大小，即缓冲区中存放的字节数据的数量。
    • 写数据时：limit与capacity相同
    • 读数据时：limit表示可读的数据位置，因此在上次写操作后需要通过flip⽅法，将position值赋给limit。
  • position：表示当前读写位置的索引，即下一个要读写的字节数据的位置。
  • mark：一个标记，用于记录某一个位置，以便稍后回到该位置。

2.1. ByteBuffer 正确使用姿势

  1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
  2. 调用 flip() 切换至读模式
  3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
  4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
  5. 重复 1~4 步骤

2.2. 分配空间

java 复制代码 
// class java.nio.HeapByteBuffer ------ java堆内存，读写效率低，受到GC影响
// 数据的拷贝路径是这样的：JVM 空间-->操作系统控制的直接内存-->磁盘
ByteBuffer heapByteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
// class java.nio.DirectByteBuffer ------ 直接内存，读写效率高（少了一次数据拷贝）
// 操作系统控制的直接内存-->磁盘
ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);

下图展示了 Buffer 分配在直接内存的功能和作用：

2.3. 向 buffer 写入数据

有三种办法：

  • 调用 buffer 的 put(数据) 方法，将数据存⼊到buffer，此时position随之变化。
  • 调用 buffer 的 wrap(数据) 方法，将数据存⼊数据并返回buffer，此时position为0，limit为数据的⻓度
  • 调用 channel 的 channel.read(buffer) 方法：将数据读⼊到buffer中。
java 复制代码 
// 调用 buffer 自己的 put方法
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
byteBuffer.put((byte) 127);
java 复制代码 
// 调用 buffer 的 wrap(数据) 方法，将数据存⼊数据并返回buffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
java 复制代码 
// 调用 channel 的 read方法
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();
fileChannel.read(byteBuffer);

2.4. 从 buffer 读数据

从Buffer中读取数据有以下⼏种⽅式：

  • 调用 buffer 的 get相关的⽅法，获得当前position或指定position的数据
  • 调用 buffer 的 array() 方法，返回整个数组内容
  • 调用 channel 的 channel.write(buffer) 方法，使⽤channel获得buffer中的内容并写⼊到指定⽬标
java 复制代码 
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(new byte[]{'A', 'B', 'C', 'D', 'E'});
// 获得当前position位置
System.out.println(Character.toChars(byteBuffer.get()));
// 返回整个数组内容
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
// channel获得buffer中的内容并写⼊到指定⽬标
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();
fileChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();

大家可以思考一下为什么最终写入文件的内容是"BCDE"，而不是"ABCDE"呢？

如果不需要移动指针，可以使用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针！

2.5. 常见方法

  1. rewind 从头开始
java 复制代码 
public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

我们查看该方法将position至为0，从而达到从头开始读的效果。

  1. mark 标记、reset 回到标记处

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

注意：rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

java 复制代码 
/**
 * Sets this buffer's mark at its position.
 *
 * @return  This buffer
 */
public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}
java 复制代码 
/**
 * Resets this buffer's position to the previously-marked position.
 *
 * <p> Invoking this method neither changes nor discards the mark's
 * value. </p>
 *
 * @return  This buffer
 *
 * @throws  InvalidMarkException
 *          If the mark has not been set
 */
public final Buffer reset() {
    int m = mark;
    if (m < 0)
        throw new InvalidMarkException();
    position = m;
    return this;
}

mark 函数将当前当前读写位置的索引赋值给mack，在reset 函数中将当前读写位置设置为mack。从而实现标记和恢复标记位。

2.6. 字符串与 ByteBuffer 相互转换

java 复制代码 
ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");
ByteBuffer buffer2 = Charset.forName("utf-8").encode("你好");
CharBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1);
System.out.println(buffer3.getClass());
System.out.println(buffer3.toString());

3. Selector（选择器）

Selector选择器，也可以称为多路复⽤器。它是Java NIO的核⼼组件之⼀，⽤于检查⼀个或多个Channel的状态是否处于可读、可写、可连接、可接收等。通过⼀个Selector选择器管理多个Channel，可以实现⼀个线程管理多个Channel对应的⽹络连接。使⽤单线程管理多个Channel可以避免多线程的线程上下⽂切换带来的额外开销。

selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途

1、多线程版本，它具有以下缺点⚠️

  • 线程上下文切换成本高
  • 只适合连接数少的场景

多线程版 socket1 thread socket2 thread socket3 thread

2、线程池版本，它具有以下缺点⚠️

  • 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接
  • 仅适合短连接场景

线程池版 socket1 thread socket2 thread socket3 socket4

3、selector版本，selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理
selector 版 selector thread channel channel channel

注意：

只有SelectableChannel才能被Selector管理，⽐如所有的SocketChannel。⽽FileChannel并没有继承SelectableChannel，因此不能被Selector管理。

1、绑定 channel 事件

也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心。⼀个Channel可以注册到多个Selector上，但在某⼀个Selector上只能注册⼀次。注册时需要告知Selector，Selector需要对通道的哪个操作感兴趣。

java 复制代码 
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);

注意：

  • channel必须处于⾮阻塞模式才能注册到Selector上。 FileChannel并没有继承SelectableChannel，没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用
  • 绑定的事件类型操作枚举类java.nio.channels.SelectionKey
    • OP_READ ： 可读，数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
    • OP_WRITE ：可写，数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况
    • OP_CONNECT ：可连接，客户端连接成功时触发
    • OP_ACCEPT ：可接收，服务器端成功接受连接时触发

⽐如channel调⽤register⽅法进⾏注册到Selector，并告知Selector对哪个操作感兴趣

java 复制代码 
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

也可以同时注册多个操作

java 复制代码 
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

选择器会查询每个⼀个channel的操作事件，如果是该channel注册的操作已就绪，则进⾏响应。注意，这⾥channel的操作指的是channel完成某个操作的条件，表示该channel对于该操作已处于就绪状态。⽐如ServerSocketChannel已准备好接收新的连接，那么它注册的 SelectionKey.OP_ACCEPT 操作就处于就绪状态。⼜⽐如SocketChannel已准备好去连接Server服务器，那么它注册的SelectionKey.OP_CONNECT 操作就处于就绪状态。于是Selector就可以触发之后的动作。

2、监听 channel 事件

可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件

方法1，阻塞直到绑定事件发生

java 复制代码 
int count = selector.select();

方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）

java 复制代码 
int count = selector.select(long timeout);

方法3，不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件

java 复制代码 
int count = selector.selectNow();

select 何时不阻塞呢？

  • 事件发生时
    • 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
    • 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件
    • channel 可写，会触发 write 事件
    • 在 linux 下 nio bug 发生时
  • 调用 selector.wakeup()
  • 调用 selector.close()
  • selector 所在线程 interrupt

3、SelectionKey 选择键

SelectionKey封装了channel和注册的操作。当selector调用select()方法时，会轮训所有注册在它身上的channel，查看是否有处于某个操作（已注册到selector上的）就绪状态的channel，把这些channel放入到selectionKey的集合中。

4、使用示例

首先，通过Selector的open⽅法创建Selector对象。

java 复制代码 
// 创建Selector
Selector selector = Selector.open();

其次，将Channel注册到Selector上

java 复制代码 
public class SelectorDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 注册channel并指明注册的操作
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
}

Selector通过调⽤select⽅法轮询已就绪的通道操作。select⽅法是阻塞的，直到⾄少有⼀个通道的注册操作已就绪。当完成select⽅法调⽤后，被选中的已就绪的所有channel通过Selector的selectedKeys()⽅法获得，该⽅法获得的是⼀个SelectionKey集合，其中每⼀个SelectionKey都表示⼀个Channel。于是可以根据SelectionKey的注册操作来做具体的业务处理。

java 复制代码 
public class SelectorDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 注册channel并指明注册的操作
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
            // 阻塞等待某个操作就绪状态的channel
            selector.select();
            // 获得这次阻塞等待发生操作的多个channel集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 获取集合迭代器
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()) {
                    // 处理连接状态的业务
                } else if (key.isConnectable()) {
                    // 处理接受状态的业务
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 处理读状态的业务
                } else if (key.isWritable()) {
                    // 处理写状态的业务
                }
                // 保证下次channel就绪可以再被选中
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

为何要 iterator.remove()？

因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如

  • 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
  • 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常

事件发生后能否不处理？

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发。

cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件

三、NIO 实现网络编程

客户端1 服务器 1.发送连接请求，并注册OP_CONNECT事件 2.处理客户端连接事件，建立起了服务端和客户端的连接通道并注册OP_READ事件 3.OP_CONNECT事件触发，向客户端发送hello, client。并注册OP_READ事件 4.socketChannel的OP_READ事件触发，读取数据至缓冲区 5.向客户端发送数据 6.OP_READ事件触发，读取数据至缓冲区 客户端1 服务器

1. 服务端实现

java 复制代码 
/**
 * Description: NIO服务端
 *
 * @author LinHuiBa-YanAn
 * @date 2023/5/9 14:26
 */
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建服务端的Socket通道，ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 设置端口号为9090
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 创建Selector多路复用器
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到Selector上，并且监听客户端的连接时间操作
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
            System.out.println("等待事件发生...");
            // 轮训监听所有注册到selector上的channel的SelectionKey，此方法是阻塞的
            int count = selector.select();
            System.out.print("触发事件：");
            // 获得所有发生事件的channel的key，遍历key的集合并处理每一个key的channel
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                handle(key);
                // 删除本次处理的key，防止重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }

    public static void handle(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        // 判断channel发生的是什么事件
        if (selectionKey.isAcceptable()) {
            System.out.println("客户端请求连接");
            // 服务端处理客户端的连接，得到ServerSocketChannel，代表着服务端
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
            // 服务端处理连接请求，建立SocketChannel（建立起了服务端和客户端的连接通道）。该方法是阻塞的，但该阻塞是在连接事件发生后马上执行的，相当于是非阻塞。且接收完后不需要阻塞等待客户端的读写操作
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            // 把socketChannel设置成非阻塞
            socketChannel.configureBlocking(false);
            // 把socketChannel注册读事件到Selector上，当读时间发生时（针对于服务端），触发事件
            socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ);
        } else if (selectionKey.isReadable()) {
            System.out.println("客户端向服务端发送数据");
            // 获取服务端和客户端之间的通道
            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            // 创建Buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // NIO非阻塞的体现，read本身就是非阻塞的
            int len = socketChannel.read(buffer);
            if (len != -1) {
                System.out.println("读取客户端的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
            // 服务端返回数据给客户端
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap("hello nio".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            socketChannel.write(byteBuffer);
            System.out.println("向客户端发送数据：" + new String(buffer.array()));
            // 监听下一次事件，读或者写
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }
}

2. 客户端实现

java 复制代码 
/**
 * Description: NIO客户端1
 *
 * @author LinHuiBa-YanAn
 * @date 2023/5/10 19:30
 */
public class NIOClient1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获得Channel通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 设置成非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 获得多路复用器 Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 将channel注册到Selector上，并且监听连接事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 客户端连接服务器，需要在监听方法中调用channel的finishConnect()才能完成连接
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        System.out.println("向客户端请求链接");
        // 轮询访问Selector
        while (true) {
            // 阻塞等待，实际上selector只对应着客户端这一个channel
            int count = selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            // 遍历所有的事件
            while (iterator.hasNext()) {
                handle(iterator.next());
                // 删除本次处理的key，防止重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }

    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        if (key.isConnectable()) {
            // 如果是连接
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            // 如果是正在连接，则完成连接
            if (channel.isConnectionPending()) {
                channel.finishConnect();
                // 设置成非阻塞
                channel.configureBlocking(false);
                // 给服务端发送消息
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello, client".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                // 缓存区中的数据写到通道里
                channel.write(buffer);
                System.out.println("向客户端发送数据：" + new String(buffer.array()));
                // 监听读事件，可以获取服务器返回的数据
                channel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
            }
        } else if (key.isReadable()) {
            // 读服务端返回的数据
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            // 创建缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 读取缓冲区中的数据
            int len = channel.read(buffer);
            if (len != -1) {
                System.out.println("服务端返回的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
        }
    }
}

服务端运行结果～

te 复制代码 
等待事件发生...
触发事件：客户端请求连接
等待事件发生...
触发事件：客户端向服务端发送数据
读取客户端的数据：hello, client
向客户端发送数据：hello, client
等待事件发生...

客户端运行结果～

text 复制代码 
向客户端请求链接
向客户端发送数据：hello, client
服务端返回的数据：hello nio

四、NIO 包中其他类

1. Pipe

Java NIO包中提供了Pipe类，⽤来实现两个线程之间的单向数据连接。Pipe包含了一个输入流和一个输出流，其中，输出流被连接到输入流的另一端，通过输出流写入的数据可以在输入流中读取到。Pipe的输入流和输出流是线程安全的，多个线程可以同时读写，因此可以用来实现线程间的数据传输和同步。分别是Sink Channel和Source Channel

  • Sink Channel：线程将数据写⼊到Sink Channel
  • Source Channel：线程从Source Channel中获取数据

具体的两个线程通过Pipe管道实现数据传输的例⼦如下：

java 复制代码 
public class PipeDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 获取Pipe
        Pipe pipe = Pipe.open();
        // 创建写数据的线程
        Thread1 t1 = new Thread1(pipe);
        // 创建读数据的线程
        Thread2 t2 = new Thread2(pipe);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

/**
 * 向pipe写数据
 */
class Thread1 extends Thread {
    private Pipe pipe;

    public Thread1(Pipe pipe) {
        this.pipe = pipe;
    }

    /**
     * 向pipe写数据
     */
    @Override
    public void run() {
        Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：写数据");
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hello pipe".getBytes());
            buffer.flip();
            sinkChannel.write(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                sinkChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

/**
 * 从pipe读数据
 */
class Thread2 extends Thread {
    private Pipe pipe;

    public Thread2(Pipe pipe) {
        this.pipe = pipe;
    }

    @Override
    public void run() {
        Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
        try {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int len = 0;
            while ((len = sourceChannel.read(buffer))> 0) {
                buffer.flip();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"："+new String(buffer.array(), 0, len));
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                sourceChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

2. FileLock

FileLock表示⽂件锁，通过JVM进程对要操作的⽂件上锁，在同⼀时间只允许⼀个进程访问上锁的⽂件。FileLock⽂件锁是进程级别，在同⼀个进程中的多个线程可以同时对⽂件进⾏操作。

FileLock⽂件锁⼜分成了排它锁和共享锁。

  • 排它锁，只有获得锁的进程能读写文件
java 复制代码 
//获得排它锁⽅式⼀：阻塞⽅式获得锁，如果锁被其他进程持有则阻塞
FileLock fileLock = fisChannel.lock();
//获得排它锁⽅式⼆：参数1:锁⽂件的具体哪⼀部分内容的起始位置，参数2:⻓度，参数3:是否共享
fisChannel.lock(0, file.length(), false);
//获得排它锁⽅式三：⾮阻塞的⽅式获得锁，如果锁被其他进程持有则直接返回null，不阻塞
FileLock fileLock = fisChannel.tryLock();
//获得排它锁⽅式四：⾮阻塞的⽅式获得锁
FileLock fileLock = fisChannel.tryLock(0, file.length(), false);
  • 共享锁，获得锁的线程可以读文件，但不能写文件
java 复制代码 
//获得共享锁方式一，参数1:锁⽂件的具体哪⼀部分内容的起始位置，参数2:⻓度，参数3:是否共享
fisChannel.lock(0,file.length(),true)
//获得共享锁方式二：⾮阻塞的⽅式获得锁，如果锁被其他进程持有则直接返回null，不阻塞
FileLock fileLock = fisChannel.tryLock(0,file.length(),true);

示例

首先，进程一获得锁后阻塞

java 复制代码 
public class FileLockDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        File file = new File("1.txt");
        FileOutputStream fis = new FileOutputStream(file);
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        // 获得排他锁
        FileLock fileLock = fisChannel.lock(0, file.length(), false);
        fisChannel.write(ByteBuffer.wrap("hello,lock！进程1".getBytes()));
        Thread.sleep(5000);
        fileLock.release();
    }
}

然后，编写进程二尝试获得锁并写数据

java 复制代码 
public class FileLockDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("1.txt");
        FileOutputStream fis = new FileOutputStream(file);
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        FileLock fileLock = fisChannel.lock();
        fisChannel.write(ByteBuffer.wrap("hello,lock！进程2".getBytes()));
        System.out.println("写入完毕");
        fileLock.close();
        fisChannel.close();
    }
}

3. Path

Path类在JDK7中已经加⼊到NIO包内，Path表示⽂件系统中的路径，和java的io包下的File类⼗分相似。

Path可以表示绝对路径，即盘符在内的完整路径。Path也可以表示相对路径，即相对于其他路径的⽂件或⽬录的路径。

java 复制代码 
public class PathDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建相对路径
        Path path = Paths.get("1.txt");
        //判断是否是绝对路径
        System.out.println(path.isAbsolute());
        Path path1 = Paths.get("/Users/gwh/Documents/yanAn/学习资料/Netty/code/io-demo/1.txt");
        System.out.println(path1.isAbsolute());
        //创建Path的另⼀种⽅式
        Path path2 = Paths.get("/Users/gwh/Documents/yanAn/学习资料/Netty/code/io-demo/", "1.txt");
        System.out.println(path2.isAbsolute());
        //获得父文件夹路径
        System.out.println(path2.getParent());
        //获得文件名
        System.out.println(path2.getFileName());
    }
}

4. Files

NIO包中的Files类提供了操作⽂件及⽬录的⼀些常⽤⽅法。Files需要和Path⼀起使⽤。

1、创建⽬录的⽅法： createDirectory()，根据Path对象创建⼀个新⽬录

java 复制代码 
try {
    Path path = Paths.get("myDir");
    // 创建目录
    Files.createDirectory(path);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

2、拷贝文件 copy()

实现拷⻉⽂件的功能，可以通过可选的参数实现⽂件的覆盖。

java 复制代码 
try {
    Path srcPath = Paths.get("1.txt");
    Path destPath = Paths.get("3.txt");
    Files.copy(srcPath, destPath, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

3、删除文件 delete()

java 复制代码 
try {
   Path path = Paths.get("11.txt");
   Files.delete(path);
} catch (IOException e) {
	e.printStackTrace();
}

4、遍历⽬录 walkFileTree()

通过 walkFileTree(Path path,FileVisitor fv) ⽅法可以实现⽬录的遍历，通过提供FileVisitor接⼝的实现类对象来告知遍历⽂件的具体措施。其中通过返回的FileVisitResult告知遍历每⼀个⽂件时的具体下⼀步动作是什么，⽐如：继续（CONTINUE）、终⽌（TERMINATE）、跳过同级（SKIP_SIBLING）、跳过⼦级（SKIP_SUBTREE）。

java 复制代码 
Path path = Files.walkFileTree(Paths.get("/Users/gwh/Documents/yanAn/hgw/大学"), new SimpleFileVisitor<Path>() {

    /**
     * 访问目录前
     * @param dir
     * @param attrs
     * @return
     * @throws IOException
     */
    @Override
    public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        System.out.println("访问文件夹：" + dir);
        return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
    }

    /**
     * 访问文件
     * @param file
     * @param attrs
     * @return
     * @throws IOException
     */
    @Override
    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        System.out.println("访问文件：" + file);
        return super.visitFile(file, attrs);
    }
});
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