Java BIO、NIO(通信/群聊系统、零拷贝)、AIO

Java BIO、NIO(通信/群聊系统、零拷贝)、AIO

BIO、NIO、AIO特点和场景

BIO（Blocking I/O）、NIO（Non-blocking I/O）、AIO（Asynchronous I/O）是Java中用于处理I/O操作的三种不同的I/O模型，它们具有不同的特点和适用场景。

1. BIO（Blocking I/O）：

   • BIO是传统的I/O模型，它是同步阻塞的，也就是说当一个I/O操作发生时，应用程序会被阻塞，直到操作完成。
   • 在BIO中，每个I/O操作通常需要一个单独的线程来处理，这意味着如果有大量并发的I/O操作，就需要创建大量线程，这可能会导致资源消耗和性能问题。
   • BIO适用于简单的网络通信场景，但在高并发情况下，性能较差。
     

2. NIO（Non-blocking I/O）：

   • NIO是一种更现代的I/O模型，它引入了非阻塞的概念，允许一个线程处理多个I/O操作。NIO使用了选择器（Selector）来监听多个通道的事件，从而减少了线程的数量。

   • 在NIO中，应用程序可以异步地发起I/O操作，然后继续执行其他任务，而不需要等待I/O操作完成。这提高了并发性能，特别适用于需要处理大量并发连接的网络应用程序。

   • NIO适用于构建高性能的网络服务器和客户端，如Netty等框架。

     

3. AIO（Asynchronous I/O）：

   • AIO是Java 7引入的一种异步I/O模型，它进一步提高了I/O操作的效率。与NIO不同，AIO的异步I/O操作可以在后台完成，应用程序不需要等待。
   • AIO适用于那些需要大量I/O操作并且不希望阻塞主线程的应用程序，比如高性能的文件和网络服务器。
   • 在AIO中，操作系统负责通知应用程序I/O操作的完成，而不需要应用程序不断地轮询或等待。

总结：

• BIO适用于简单的同步I/O操作，但在高并发场景下性能较差。
• NIO适用于需要处理大量并发连接的网络应用程序，提供了非阻塞I/O和选择器的支持。
• AIO适用于需要高性能异步I/O操作的应用程序，它可以在后台进行I/O操作而不阻塞主线程。

对比表

特点	BIO (Blocking I/O)	NIO (Non-blocking I/O)	AIO (Asynchronous I/O)
阻塞	阻塞式 I/O	非阻塞式 I/O	异步 I/O
并发处理	低并发处理	中等并发处理	高并发处理
编程模型	同步编程模型	同步和部分异步编程模型	异步编程模型
缓冲区	需要自己手动管理缓冲区	使用缓冲区进行数据传输	使用缓冲区进行数据传输
文件操作支持	支持	支持	支持
网络操作支持	支持	支持	支持
效率	低效率，线程池开销大	相对高效，线程开销小	高效率，异步处理
适用场景	低并发、少连接数	中等并发、中等连接数	高并发、大连接数
复杂性	相对简单	相对复杂	较复杂
主要类和接口	InputStream/OutputStream	Selector/Channel	AsynchronousChannel
典型应用	单线程或多线程处理少量连接	网络服务器、文件操作等	高性能服务器、文件操作等

总的来说，BIO适用于连接数较少的场景，NIO适用于中等并发场景，而AIO适用于高并发的异步操作场景，如网络服务器、文件传输等。选择适当的I/O模型取决于应用程序的性能和并发需求。

BIO 案例

telnet客户端连接测试

cmd telnet [ip] [端口]

可以输入字符发送，或者ctrl+]，然后使用send命令，send hello

启动Telnet客户端

服务端逻辑

import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class BIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //线程池机制思路
        //1. 创建一个线程池
        //2. 如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯
        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8989);
        System.out.println("服务器启动了");
        while (true) {
            System.out.println("线程信息id = " + Thread.currentThread().getId() + "名字 = " + Thread.currentThread().getName());
            //监听，等待客户端连接
            System.out.println("等待连接....");
            //会阻塞在accept()
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            //就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
            newCachedThreadPool.execute(() -> {
                //可以和客户端通讯
                handler(socket);
            });
        }
    }

    /**
     * 与客户端通讯
     *
     * @param socket
     */
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程信息id = " + Thread.currentThread().getId() + "名字 = " + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            //通过socket获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            //循环的读取客户端发送的数据
            while (true) {
                System.out.println("线程信息id = " + Thread.currentThread().getId() + "名字 = " + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("read....");
                //没有可读数据时会阻塞
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));//输出客户端发送的数据
                } else {
                    break;
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");
            try {
                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

总结

1. 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write。
2. 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
3. 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

NIO三大核心组件关系

Channel

Channel是用于进行非阻塞I/O操作的抽象，它代表了一个可以进行读写操作的数据源或数据目的地。Channel提供了一种通用的、统一的接口，用于与不同类型的I/O设备（如文件、套接字、管道等）进行交互。

以下是关于Channel的一些主要特点和常见的类型：

1. 不同类型的Channel：

   • FileChannel：用于文件的读写操作，支持文件的随机读写。
   • SocketChannel：用于TCP套接字通信，可以连接到远程服务器或接受客户端连接。
   • ServerSocketChannel：用于监听传入的TCP连接请求，允许服务器接受客户端连接。
   • DatagramChannel：用于UDP通信，支持无连接的数据包传输。
   • Pipe.SinkChannel 和 Pipe.SourceChannel：用于在同一虚拟机内的两个线程之间进行通信，支持管道传输。

2. 通用操作：

   • 所有类型的Channel都支持通用的操作，如读取数据到Buffer、从Buffer写入数据、关闭通道等。
   • Channel的读写操作通常是非阻塞的，因此可以在一个线程中同时处理多个Channel。

3. FileChannel：

   • FileChannel是用于文件的I/O操作的主要通道类型。
   • 可以使用FileChannel来读取、写入、映射文件以及文件锁定等。
   • FileChannel支持文件的随机访问，可以通过position()方法设置读写位置。

4. SocketChannel 和 ServerSocketChannel：

   • SocketChannel用于客户端套接字通信，可以连接到远程服务器。
   • ServerSocketChannel用于服务器套接字通信，用于监听传入的连接请求并创建对应的SocketChannel来处理客户端连接。

5. DatagramChannel：

   • DatagramChannel用于UDP通信，支持无连接的数据包传输。
   • 通过DatagramChannel可以发送和接收UDP数据报。

6. Pipe：

   • Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel通常用于在同一虚拟机内的两个线程之间进行通信。
   • 一个线程将数据写入SinkChannel，另一个线程从SourceChannel读取数据。

总之，Channel是Java NIO中用于进行非阻塞I/O操作的关键组件之一，它提供了统一的接口，可以用于处理不同类型的I/O设备。开发者可以根据应用程序的需求选择合适类型的Channel，并使用它们来进行数据的读写操作，从而实现高效的I/O通信。

Buffer

Buffer是用于进行数据读取和写入的重要抽象。它是Java NIO（New I/O）库的一部分，用于处理非阻塞I/O操作。Buffer提供了一种方便的方式来操作底层数据源（通常是字节数组）的数据，同时可以在不同的I/O通道之间传递数据。

以下是关于NIO中的Buffer的主要特点和用法：

1. 缓冲区类型：Java NIO提供了多种类型的缓冲区，主要有以下几种：

   • ByteBuffer：用于处理字节数据。
   • CharBuffer：用于处理字符数据。
   • ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer：分别用于处理短整数、整数和长整数数据。
   • FloatBuffer、DoubleBuffer：用于处理浮点数和双精度浮点数数据。
   • 这些不同类型的缓冲区都是Buffer的子类，提供了不同数据类型的读写方法。

2. 容量（Capacity）：每个缓冲区都有一个固定的容量，表示它可以存储的数据元素数量。容量在缓冲区创建时被指定，并且不能更改。

3. 位置（Position）：位置表示下一个读取或写入操作将从缓冲区的哪个位置开始。初始位置通常为0，并且通过读取或写入数据而逐渐增加。位置不能超过缓冲区的容量。

4. 限制（Limit）：限制是一个不可读写的索引，表示在读取或写入操作时不能超过的位置。初始限制通常等于容量，但可以通过设置限制来限制读取或写入的数据范围。

5. 标记（Mark） ：标记是一个临时的索引，可以通过mark()方法设置，并在需要时通过reset()方法回到标记的位置。标记的主要用途是在读取或写入一些数据后能够返回到之前的位置。

6. 读写操作 ：Buffer提供了一系列读取和写入数据的方法，如get()、put()、read()、write()等。这些方法根据当前位置（Position）和限制（Limit）来确定读写的数据范围。

7. 翻转（Flip） ：通过flip()方法，可以将缓冲区从写模式切换到读模式。这个操作会将限制设置为当前位置，并将位置重置为0，准备开始读取数据。

8. 清空（Clear） ：通过clear()方法，可以将缓冲区从读模式切换到写模式。这个操作会将限制设置为容量，位置重置为0，准备开始写入数据。

9. 压缩（Compact） ：通过compact()方法，可以将未读取的数据复制到缓冲区的开头，然后将位置设置为复制后的数据后面。这个操作用于在写模式下向缓冲区写入数据之前，压缩未读取的数据。

10. 重绕（Rewind） ：通过rewind()方法，可以将位置重置为0，保持限制不变，进入写模式。这个操作用于重新读取已经读取过的数据。

11. 标记和重置 ：mark()方法用于设置标记位置，reset()方法用于将位置重置为标记位置。

Buffer在Java NIO中是一个重要的基础构建块，它允许开发者高效地进行数据的读取和写入操作，特别适用于非阻塞I/O编程。在使用Buffer时，需要注意正确管理位置、限制、标记和容量，以确保数据的正确读写。

Selector

Selector是一个多路复用器，用于管理多个Channel的事件，以便一个线程可以同时处理多个通道上的I/O操作。Selector是非常重要的，因为它可以帮助实现非阻塞I/O，提高网络和文件I/O的效率。

以下是关于Selector的一些主要特点和用法：

1. 多路复用 ：Selector允许一个线程同时监视多个Channel上的I/O事件，如读就绪、写就绪、连接就绪、接收就绪等。通过使用Selector，一个线程可以有效地管理多个I/O通道，而不需要为每个通道创建一个单独的线程。

2. SelectableChannel ：SelectableChannel是可以在Selector上注册的Channel的子类，例如SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel等。通过将Channel注册到Selector上，可以监视它们的I/O事件。

3. SelectionKey ：当一个Channel被注册到Selector上时，会返回一个SelectionKey对象，它表示了该Channel在Selector上的注册状态和感兴趣的事件。SelectionKey包括事件类型（如读、写、连接、接收）、关联的Channel等信息。

4. select()方法 ：Selector提供了select()方法，用于阻塞等待至少一个通道在感兴趣的事件上就绪。一旦有一个或多个通道就绪，select()方法会返回，并返回就绪通道的数量。这个方法可以帮助减少CPU的轮询开销。

5. selectedKeys()方法 ：Selector还提供了selectedKeys()方法，用于获取就绪的SelectionKey集合，然后可以遍历这些SelectionKey来处理相应的事件。

6. register()方法 ：SelectableChannel可以通过register()方法将自己注册到Selector上，并指定感兴趣的事件类型。通常在创建Channel后，需要将其注册到一个Selector上才能开始监视事件。

7. cancel()方法 ：通过SelectionKey的cancel()方法可以取消注册的通道，停止监视相应的事件。

8. 非阻塞操作 ：使用Selector可以实现非阻塞I/O操作，当一个通道就绪时，可以处理它的I/O事件，而不需要等待。这允许一个线程有效地管理多个通道的状态。

Selector在高性能的网络服务器、文件I/O操作以及需要管理多个通道的应用程序中非常有用。通过结合Selector、Channel和Buffer等NIO组件，可以实现高效的非阻塞I/O编程，提高应用程序的性能和响应性。但需要注意，正确使用Selector需要处理一些细节，如注册和取消注册通道、处理事件等，以确保程序的正确性和可维护性。

Buffer 缓冲区

这四个字段 mark、position、limit 和 capacity 是 Buffer 类中非常重要的属性，它们用于管理缓冲区的状态和限制。以下是对每个字段的详细解释：

1. mark：mark是一个标记位置，用于记录缓冲区中的某个特定位置。初始值为-1，表示没有设置标记。你可以通过 mark() 方法来设置标记位置，然后通过 reset() 方法来恢复到标记位置。这对于在读写模式之间切换时定位到特定位置非常有用。

2. position：position 表示当前读取或写入的位置。初始值为0，即缓冲区的起始位置。position 在读写操作中会随着操作的进行而递增，标记了下一个要读取或写入的位置。

3. limit：limit 表示读取或写入操作的限制位置。它限制了可以读取或写入的最大位置。初始时，limit 通常等于缓冲区的容量，表示可以读取或写入整个缓冲区。当使用 flip() 方法切换到读模式时，limit 会被设置为当前的 position，这样就限制了读取操作只能在已写入数据的范围内进行。limit 的值可以随时进行修改以改变读写操作的限制。

4. capacity：capacity 表示缓冲区的容量，即它可以容纳的数据元素的数量。一旦分配，缓冲区的容量通常不会更改。

这些字段共同管理了缓冲区的状态，允许你在读取和写入操作之间进行切换，并确保操作在正确的范围内进行。例如，position 指示了下一个要读取或写入的位置，而 limit 限制了操作的范围，mark 允许你在需要时回到特定位置。

在使用 Buffer 类时，了解和管理这些字段的值对于正确操作缓冲区非常重要。通常，你会使用 flip()、clear()、rewind()、mark()、reset() 等方法来更改和管理这些字段的值，以满足你的读写需求。

Channel 通道

FileChannel 类

FileChannel 是 Java NIO 中用于文件 IO 操作的一个重要类，它提供了对文件的读取和写入操作。FileChannel 通常与 ByteBuffer 一起使用，以高效地处理文件的读写。

1. 创建 FileChannel：

   若要创建一个 FileChannel 对象，通常需要通过 FileInputStream 或 FileOutputStream 来获取。例如，要创建一个用于读取文件的 FileChannel，可以使用以下代码：

   javaCopy codeFileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("example.txt");
   FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
   

   同样，要创建一个用于写入文件的 FileChannel，可以使用 FileOutputStream。

2. FileChannel 的读取和写入：

   FileChannel 提供了一系列方法来执行读取和写入操作，其中最常见的包括：

   • int read(ByteBuffer dst)：从文件中读取数据到给定的 ByteBuffer。
   • int write(ByteBuffer src)：将 ByteBuffer 中的数据写入到文件。
   • long position() 和 FileChannel position(long newPosition)：获取或设置当前的文件位置。
   • long size()：获取文件的大小。
   • int read(ByteBuffer dst, long position) 和 int write(ByteBuffer src, long position)：在指定位置读取或写入数据。

3. FileChannel 的文件锁定：

   FileChannel 还支持文件锁定机制，允许你在多个线程或进程之间控制文件的访问。通过 FileChannel 的 lock() 和 tryLock() 方法，你可以请求文件的共享锁或排它锁。这对于确保同时只有一个进程能够对文件进行写入操作非常有用。

4. FileChannel 的关闭：

   当你完成文件操作后，应该及时关闭 FileChannel 以释放资源。使用 close() 方法可以关闭 FileChannel。

5. 适用场景：

   FileChannel 主要用于文件 IO 操作，特别适用于需要高性能和大文件处理的场景。与传统的 InputStream 和 OutputStream 相比，FileChannel 更为灵活，对于高并发的文件读写操作也更高效。

应用实例

本地文件写入、读取、单缓冲区读写、拷贝案例

import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;

public class NIOFileChannel {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        NIOFileChannel nio = new NIOFileChannel();
//        nio.writeFile("c:\\file01.txt");
//        nio.readFile("c:\\file01.txt");
//        nio.readAndWriteFile("C:\\tmp\\nio\\1.txt", "C:\\tmp\\nio\\2.txt");
        nio.copyFile("C:\\tmp\\nio\\1.txt", "C:\\tmp\\nio\\22.txt");
    }

    /**
     * 写入文件数据
     *
     * @param filePath 文件路径
     */
    public void writeFile(String filePath) throws Exception {
        String str = "hello, world";
        //创建一个输出流 -> channel
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(filePath);
        //通过 fileOutputStream 获取对应的 FileChannel
        //这个 fileChannel 真实类型是 FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();
        //创建一个缓冲区 ByteBuffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        //将 str 放入 byteBuffer
        byteBuffer.put(str.getBytes());
        //对 byteBuffer 进行 flip
        byteBuffer.flip();
        //将 byteBuffer 数据写入到 fileChannel
        fileChannel.write(byteBuffer);
        fileOutputStream.close();
    }

    /**
     * 读取文件数据
     *
     * @param filePath 文件路径
     */
    public void readFile(String filePath) throws Exception {
        //创建文件的输入流
        File file = new File(filePath);
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
        //通过 fileInputStream 获取对应的 FileChannel -> 实际类型 FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
        //创建缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
        //将通道的数据读入到 Buffer
        fileChannel.read(byteBuffer);
        //将 byteBuffer 的字节数据转成 String
        System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
        fileInputStream.close();
    }

    /**
     * 使用一个 Buffer 从通道中读取数据，并将数据写入到另一个通道中
     *
     * @param filePath1 读取文件路径
     * @param filePath2 待写入文件路径
     */
    public void readAndWriteFile(String filePath1, String filePath2) throws Exception {
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath1);
        FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(filePath2);
        FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
        //循环读取
        while (true) {
            //清空 buffer
            byteBuffer.clear();
            int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
            System.out.println("read = " + read);
            //读完
            if (read == -1) {
                break;
            }

            //将 buffer 中的数据写入到 fileChannel02--2.txt
            byteBuffer.flip();
            fileChannel02.write(byteBuffer);
        }

        //关闭相关的流
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }

    /**
     * 拷贝文件
     *
     * @param filePath1 源文件路径
     * @param filePath2 待拷贝文件路径
     */
    public static void copyFile(String filePath1, String filePath2) throws Exception {
        //创建相关流
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath1);
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(filePath2);
        //获取各个流对应的 FileChannel
        FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
        FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();
        //使用 transferForm 完成拷贝
        destCh.transferFrom(sourceCh, 0, sourceCh.size());
        //关闭相关通道和流
        sourceCh.close();
        destCh.close();
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }
}

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get，put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。

可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer

NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，而如何同步到文件由 NIO 来完成。

import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * MappedByteBuffer 可让文件直接在内存（堆外内存）修改,操作系统不需要拷贝一次
 */
public class MappedByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        modifyFile("C:\\tmp\\nio\\1.txt");
    }

    // 直接在内存中修改文件
    public static void modifyFile(String filePath) throws IOException {
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(filePath, "rw");
        //获取对应的通道
        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
        /**
         * FileChannel.MapMode.READ_WRITE表示映射后的内存可以读取和写入。
         * 0表示从文件的起始位置开始映射。
         * 5表示映射到内存的大小，即将文件的前5个字节映射到内存中。这意味着我们可以在内存中修改这5个字节的内容。
         */
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
        mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9');
        // 这段代码中，尝试将第6个字节的内容修改为字符 'Y'，但是我们之前只映射了5个字节的数据，所以会抛出越界异常
//        mappedByteBuffer.put(5, (byte) 'Y');
        randomAccessFile.close();
        System.out.println("修改成功");
    }
}

前面的读写操作案例，都是通过一个 Buffer 完成的，NIO 还支持通过多个 Buffer（即 Buffer数组）完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering

Selector 选择器

Selector（选择器）是Java NIO中的一个关键类，用于实现非阻塞I/O操作。它允许一个线程同时管理多个通道（Channel），从而能够高效地处理多个客户端连接和请求。以下是关于Selector的总结和要点：

基本介绍：

• Selector是Java NIO中的核心组件，用于实现非阻塞I/O。
• 它能够监测多个注册的通道上是否有事件发生，并响应这些事件。
• 多个通道可以注册到同一个Selector中，实现多路复用，从而提高系统的并发性能。
• 使用Selector可以避免为每个连接创建一个线程，减少系统开销和线程切换的开销。

Selector的特点和用途：

• Selector允许单线程管理多个通道，即管理多个连接和请求。
• 通过Selector，线程可以在某个通道上进行读写操作，如果没有数据可用，则线程可以在其他通道上执行IO操作，从而充分利用非阻塞I/O的特性。
• 非阻塞I/O避免了频繁的I/O阻塞，提高了线程的运行效率。
• 一个I/O线程可以并发处理多个客户端连接和读写操作，解决了传统同步阻塞I/O模型中一连接一线程的性能问题。

Selector的相关方法：

• selector.select()：阻塞方法，等待至少一个通道准备就绪，然后返回就绪通道的数量。
• selector.select(timeout)：阻塞方法，等待一段时间（timeout毫秒）或至少一个通道准备就绪，然后返回就绪通道的数量。
• selector.wakeup()：唤醒阻塞在select()方法上的线程，用于强制使select()方法立即返回。
• selector.selectNow()：非阻塞方法，立即返回，不等待任何通道就绪。

总的来说，Selector是Java NIO中非常重要的组件，用于实现高性能的非阻塞I/O操作。它可以让一个线程管理多个通道，处理多个客户端连接，提高系统的并发性能和可扩展性。Selector的使用有助于避免多线程之间的上下文切换开销，提高系统的响应速度。

NIO 网络客户端/服务端案例

服务端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建ServerSocketChannel 用于监听客户端连接的通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(7777));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 创建Selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 将ServerSocketChannel注册到Selector，关注OP_ACCEPT事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 监听事件
            int selectCount = selector.select();
            if (selectCount == 0) {
                continue;
            }

            // 获取触发事件的SelectionKey
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();

                if (key.isAcceptable()) {
                    // 处理连接请求
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 处理读事件
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
                    if (bytesRead == -1) {
                        socketChannel.close();
                        key.cancel();
                    } else if (bytesRead > 0) {
                        buffer.flip();
                        byte[] data = new byte[buffer.remaining()];
                        buffer.get(data);
                        System.out.println("Received: " + new String(data));
                    }
                }

                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int tmpI = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    sendMsg("hello" + tmpI);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }).start();
        }



    }
    public static void sendMsg(String msg) throws IOException {
        // 创建SocketChannel
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7777))) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("连接服务器需要时间，可以做其他工作...");
            }
        }

        // 发送数据给服务器
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        socketChannel.write(buffer);

        // 接收服务器的响应
        ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int bytesRead = socketChannel.read(responseBuffer);
        if (bytesRead > 0) {
            responseBuffer.flip();
            byte[] responseData = new byte[responseBuffer.remaining()];
            responseBuffer.get(responseData);
            System.out.println("Server Response: " + new String(responseData));
        }

        // 关闭SocketChannel
        socketChannel.close();
    }
}

NIO 群聊系统

服务端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class GroupChatServer {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel listenChannel;
    private static final int PORT = 6667;

    public GroupChatServer() {
        try {
            // 创建Selector
            selector = Selector.open();
            // 创建ServerSocketChannel
            listenChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定服务器端口
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            // 设置为非阻塞模式
            listenChannel.configureBlocking(false);
            // 注册ServerSocketChannel到Selector，关注连接事件
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void listen() {
        try {
            while (true) {
                // 监听事件
                int count = selector.select(2000);
                if (count > 0) {
                    // 获取触发事件的SelectionKey集合
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        if (key.isAcceptable()) {
                            // 处理连接请求
                            SocketChannel clientChannel = listenChannel.accept();
                            clientChannel.configureBlocking(false);
                            clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                            System.out.println(clientChannel.getRemoteAddress() + " 上线");
                        }
                        if (key.isReadable()) {
                            // 处理读事件
                            readData(key);
                        }
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 处理异常后的操作
        }
    }

    private void readData(SelectionKey key) {
        SocketChannel channel = null;
        try {
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int count = channel.read(buffer);
            if (count > 0) {
                String message = new String(buffer.array());
                System.out.println("收到来自 " + channel.getRemoteAddress() + " 的消息: " + message);
                sendToOtherClients(message, channel);
            }
        } catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线");
                key.cancel();
                channel.close();
            } catch (IOException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void sendToOtherClients(String message, SocketChannel selfChannel) throws IOException {
        System.out.println("服务器转发消息中...");
        for (SelectionKey key : selector.keys()) {
            Channel targetChannel = key.channel();
            if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != selfChannel) {
                SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());
                dest.write(buffer);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        GroupChatServer server = new GroupChatServer();
        server.listen();
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;

public class GroupChatClient {
    private final String HOST = "127.0.0.1";
    private final int PORT = 6667;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;

    public GroupChatClient() {
        try {
            // 创建Selector
            selector = Selector.open();
            // 创建SocketChannel并连接服务器
            socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(HOST, PORT));
            // 设置为非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
            // 注册SocketChannel到Selector，关注读事件
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            // 获取本地Socket地址作为用户名
            username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
            System.out.println(username + " is online.");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void sendInfo(String info) {
        info = username + " 说: " + info;
        try {
            // 发送消息给服务器
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void readInfo() {
        try {
            int count = selector.select();
            if (count > 0) {
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int len = channel.read(buffer);
                        if (len > 0) {
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
                        }
                    }
                    iterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();
        // 启动一个线程来接收服务器和其他客户端的消息
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                chatClient.readInfo();
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 主线程用于发送消息到服务器
        while (true) {
            // 从控制台读取用户输入
            java.util.Scanner scanner = new java.util.Scanner(System.in);
            String message = scanner.nextLine();
            chatClient.sendInfo(message);
        }
    }
}

NIO 结合零拷贝

NIO（New I/O）和零拷贝（Zero-Copy）是两个与I/O操作相关的概念，它们可以在高性能的数据传输和处理中发挥重要作用。

零拷贝（Zero-Copy）：

零拷贝是一种技术，旨在在数据传输和处理过程中尽量减少或消除数据的拷贝操作。它通过直接将数据从一个位置传输到另一个位置，而不需要在中间进行复制。零拷贝通常与操作系统和硬件的支持相关，以提供最佳性能。

主要特点和优点：

1. 减少数据拷贝：零拷贝技术避免了数据在内存之间的复制，从而减少了CPU和内存带宽的开销。
2. 提高性能：通过减少数据拷贝和内存复制，零拷贝可以提高数据传输和处理的性能。
3. 节省资源：减少了不必要的CPU和内存资源消耗，特别适用于大规模的数据传输和处理任务。

零拷贝通常与操作系统的底层API和硬件的支持密切相关，例如使用mmap映射文件、sendfile系统调用等。

在实际应用中，NIO和零拷贝可以结合使用，以提高网络应用程序的性能。例如，你可以使用NIO来管理多个网络连接，并且使用零拷贝来传输大文件或数据块，以避免不必要的数据复制和传输开销。这两个概念在高性能和高吞吐量的应用程序中都非常有用。

案例

服务端

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(address);

        // 创建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);

        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            int readcount = 0;
            while (-1 != readcount) {
                try {
                    readcount = socketChannel.read(byteBuffer);
                } catch (Exception ex) {
                    // ex.printStackTrace();
                    break;
                }
                //
                byteBuffer.rewind(); // 倒带 position = 0 mark 作废
            }
            if (readcount > 0) {
                System.out.println("收到数据长度：" + readcount);
            }

        }
    }
}

客户端

package com.zxbd.project.test;


import java.io.FileInputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
        String filename = "C:\\Users\\22720\\Downloads\\历史数据.xls";
        // 得到一个文件channel
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();
        // 准备发送
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 在Linux下一个transferTo方法就可以完成传输
        // 在Windows下一次调用transferTo只能发送8m，就需要分段传输文件
        // transferTo底层使用到零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
        System.out.println("发送的总的字节数 = " + transferCount + " 耗时: " + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        // 关闭
        fileChannel.close();
    }
}

AIO

Java AIO（Asynchronous I/O，异步 I/O）是一种在 Java 中进行非阻塞 I/O 操作的方式，用于处理大量的并发连接或文件操作。与传统的同步 I/O 不同，它允许应用程序在等待 I/O 操作完成时执行其他任务，而不会阻塞整个线程或进程。

以下是 Java AIO 的一些基本介绍：

1. 异步操作：Java AIO 提供了异步操作的支持，允许应用程序发起 I/O 请求后继续执行其他任务，而不必等待 I/O 操作完成。当 I/O 操作完成时，系统会通知应用程序。

2. NIO（New I/O）基础：Java AIO 构建在 Java NIO 的基础之上。它使用了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念，允许应用程序将数据从通道读取到缓冲区，或将数据从缓冲区写入通道。

3. 异步事件驱动：Java AIO 采用了事件驱动的方式来处理异步 I/O 操作。应用程序需要注册事件监听器，以便在 I/O 操作完成时接收通知。这种方式可以有效地管理大量的并发连接。

4. 高性能：由于异步操作的特性，Java AIO 可以实现高性能的 I/O 处理，特别适用于处理大量并发连接或需要高吞吐量的应用场景，如网络服务器、文件传输等。

5. 复杂性：相对于传统的同步 I/O，Java AIO 的编程模型可能更复杂一些，因为它涉及到事件监听、回调函数等概念。但一旦习惯了这种模型，它可以提供更好的性能和可伸缩性。

6. 主要类和接口：Java AIO 的主要类和接口包括 AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel 等，以及与异步事件处理相关的回调接口。

示例代码如下所示：

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;

public class AIOExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 打开异步文件通道
        AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(
                Paths.get("C:\\tmp\\nio\\1.txt"),
                StandardOpenOption.READ
        );

        // 创建读取操作的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 发起异步读取操作
        fileChannel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                System.out.println("读取完成，读取字节数：" + result);
                // 处理读取的数据
                attachment.flip();
                while (attachment.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) attachment.get());
                }
                System.out.println();
                // 关闭文件通道
                try {
                    fileChannel.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                System.err.println("读取失败：" + exc.getMessage());
                // 关闭文件通道
                try {
                    fileChannel.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        System.out.println("主线程111");
    }
}

上面的示例演示了如何使用 Java AIO 进行异步文件读取操作。当读取操作完成时，completed 方法将被调用，而当操作失败时，failed 方法将被调用。这种异步编程模型可以用于处理各种类型的异步 I/O 操作。