NIO基础

文章目录

NIO基础
- [1. 三大组件](#1. 三大组件)
- - [1.1 Channel](#1.1 Channel)
  - [1.2 Buffer](#1.2 Buffer)
  - [1.3 Selector](#1.3 Selector)
- [2. ByteBuffer](#2. ByteBuffer)
- - [2.1 使用方式](#2.1 使用方式)
  - [2.2 常见方法](#2.2 常见方法)
  - [2.3 解决黏包问题](#2.3 解决黏包问题)
- [3. 网络编程](#3. 网络编程)
- - [3.1 阻塞](#3.1 阻塞)
  - [3.2 非阻塞](#3.2 非阻塞)
  - [3.3 多路复用](#3.3 多路复用)
  - [3.4 利用多线程优化](#3.4 利用多线程优化)

1. 三大组件

1.1 Channel

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

常见的 Channel 有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

1.2 Buffer

Buffer 是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存块。

它与数组类似，但是提供了对数据的结构化访问，并且可以跟踪已经读写了多少数据。

常见的 buffer 有：

ByteBuffer
- MappedByteBuffer
- DirectByteBuffer
- HeapByteBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer
CharBuffer

1.3 Selector

Selector 是 NIO 中实现多路复用的关键组件，允许单个线程管理多个 Channel。

Selector 能够监控多个注册到它的 Channel 上是否有事件发生（如连接建立、数据到达等）。这样，一个单独的线程可以通过轮询 Selector 来判断一组 Channel 是否有就绪状态的事件，从而只需要少量的线程就能处理大量的客户端请求。

使用 Selector 可以显著减少系统资源的开销，特别适用于需要同时处理大量网络连接的情况。
selector thread channel channel channel

2. ByteBuffer

2.1 使用方式

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

示例：

java 复制代码

@Slf4j
public class BufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file =
                     new RandomAccessFile("test.txt", "rw")){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            FileChannel channel = file.getChannel();
            while (true){
                int read = channel.read(buffer);
                if(read == -1)break;
                buffer.flip();
                while(buffer.hasRemaining()){
                    log.info("读取到：{}",(char)buffer.get());
                }
                buffer.clear();
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

2.2 常见方法

分配空间：

java 复制代码

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);

写入数据有两种办法：

调用 channel 的 read 方法
调用 buffer 自己的 put 方法

java 复制代码

int readBytes = channel.read(buf);

java 复制代码

buf.put((byte)127);

读取数据同样有两种办法：

调用 channel 的 write 方法
调用 buffer 自己的 get 方法

java 复制代码

int writeBytes = channel.write(buf);

java 复制代码

byte b = buf.get();

get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据

可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针

mark 和 reset：

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

字符串与 ByteBuffer 互转：

java 复制代码

ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");
ByteBuffer buffer2 = Charset.forName("utf-8").encode("你好");

debug(buffer1);
debug(buffer2);

CharBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1);
System.out.println(buffer3.getClass());
System.out.println(buffer3.toString());

2.3 解决黏包问题

将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据：

java 复制代码

public static void main(String[] args) {
    ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
    source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
    split(source);

    source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());
    split(source);
}

private static void split(ByteBuffer source) {
    source.flip();
    int oldLimit = source.limit();
    for (int i = 0; i < oldLimit; i++) {
        if (source.get(i) == '\n') {
            System.out.println(i);
            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());
            // 0 ~ limit
            source.limit(i + 1);
            target.put(source); // 从source 读，向 target 写
            debugAll(target);
            source.limit(oldLimit);
        }
    }
    source.compact();
}

3. 网络编程

3.1 阻塞

阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停

ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置

java 复制代码

// 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程
// 0. ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 1. 创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

// 2. 绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

// 3. 连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
    // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
    log.debug("connecting...");
    SocketChannel sc = ssc.accept(); // 阻塞方法，线程停止运行
    log.debug("connected... {}", sc);
    channels.add(sc);
    for (SocketChannel channel : channels) {
        // 5. 接收客户端发送的数据
        log.debug("before read... {}", channel);
        channel.read(buffer); // 阻塞方法，线程停止运行
        buffer.flip();
        debugRead(buffer);
        buffer.clear();
        log.debug("after read...{}", channel);
    }
}

3.2 非阻塞

非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
- 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
- SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
- 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu

java 复制代码

// 使用 nio 来理解非阻塞模式, 单线程
// 0. ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 1. 创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
// 2. 绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 3. 连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
    // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
    SocketChannel sc = ssc.accept(); // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null
    if (sc != null) {
        log.debug("connected... {}", sc);
        sc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
        channels.add(sc);
    }
    for (SocketChannel channel : channels) {
        // 5. 接收客户端发送的数据
        int read = channel.read(buffer);// 非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0
        if (read > 0) {
            buffer.flip();
            debugRead(buffer);
            buffer.clear();
            log.debug("after read...{}", channel);
        }
    }
}

3.3 多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

多路复用仅针对网络 IO、普通文件 IO 没法利用多路复用
如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证
- 有可连接事件时才去连接
- 有可读事件才去读取
- 有可写事件才去写入

好处

一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
让这个线程能够被充分利用
节约了线程的数量
减少了线程上下文切换

处理read事件服务器代码：

java 复制代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    ssc.configureBlocking(false);
    // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
    // SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
    SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
    // key 只关注 accept 事件
    sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
    log.debug("sscKey:{}", sscKey);
    ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    while (true) {
        // 3. select 方法, 没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行
        // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
        selector.select();
        // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
        Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); // accept, read
        while (iter.hasNext()) {
            SelectionKey key = iter.next();
            // 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理就会有问题
            iter.remove();
            log.debug("key: {}", key);
            // 5. 区分事件类型
            if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept
                ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = channel.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment
                // 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上
                SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
                scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                log.debug("{}", sc);
                log.debug("scKey:{}", scKey);
            } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read
                try {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
                    // 获取 selectionKey 上关联的附件
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    int read = channel.read(buffer); // 如果是正常断开，read 的方法的返回值是 -1
                    if(read == -1) {
                        key.cancel();
                    } else {
                        split(buffer);
                        // 需要扩容
                        if (buffer.position() == buffer.limit()) {
                            ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                            buffer.flip();
                            newBuffer.put(buffer); // 0123456789abcdef3333\n
                            key.attach(newBuffer);
                        }
                    }

                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                    key.cancel();  // 因为客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）
                }
            }
        }
    }
}

处理write时间服务端代码：

java 复制代码

public static void main(String[] args) throws IOException {
    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    ssc.configureBlocking(false);
    ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
    while(true){
        selector.select();
        Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            SelectionKey key = iterator.next();
            try {
                if(key.isAcceptable()){
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        sb.append("a");
                    }
                    ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
                    sc.write(buffer);
                    if(buffer.hasRemaining()){
                        sc.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE,buffer);
                    }
                }else if(key.isWritable()){
                    ByteBuffer attachment = (ByteBuffer)key.attachment();
                    SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
                    sc.write(attachment);
                    if(!attachment.hasRemaining()){
                        key.cancel();
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                key.cancel();
            }
        }
    }

}

3.4 利用多线程优化

java 复制代码

public class ChannelDemo7 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new BossEventLoop().register();
    }


    @Slf4j
    static class BossEventLoop implements Runnable {
        private Selector boss;
        private WorkerEventLoop[] workers;
        private volatile boolean start = false;
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();

        public void register() throws IOException {
            if (!start) {
                ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
                ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
                ssc.configureBlocking(false);
                boss = Selector.open();
                SelectionKey ssckey = ssc.register(boss, 0, null);
                ssckey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
                workers = initEventLoops();
                new Thread(this, "boss").start();
                log.debug("boss start...");
                start = true;
            }
        }

        public WorkerEventLoop[] initEventLoops() {
            //        EventLoop[] eventLoops = new EventLoop[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
            WorkerEventLoop[] workerEventLoops = new WorkerEventLoop[2];
            for (int i = 0; i < workerEventLoops.length; i++) {
                workerEventLoops[i] = new WorkerEventLoop(i);
            }
            return workerEventLoops;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    boss.select();
                    Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        iter.remove();
                        if (key.isAcceptable()) {
                            ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
                            SocketChannel sc = c.accept();
                            sc.configureBlocking(false);
                            log.debug("{} connected", sc.getRemoteAddress());
                            workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    @Slf4j
    static class WorkerEventLoop implements Runnable {
        private Selector worker;
        private volatile boolean start = false;
        private int index;

        private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> tasks = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        public WorkerEventLoop(int index) {
            this.index = index;
        }

        public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
            if (!start) {
                worker = Selector.open();
                new Thread(this, "worker-" + index).start();
                start = true;
            }
            tasks.add(() -> {
                try {
                    SelectionKey sckey = sc.register(worker, 0, null);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    worker.selectNow();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            worker.wakeup();
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    worker.select();
                    Runnable task = tasks.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run();
                    }
                    Set<SelectionKey> keys = worker.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        if (key.isReadable()) {
                            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
                            try {
                                int read = sc.read(buffer);
                                if (read == -1) {
                                    key.cancel();
                                    sc.close();
                                } else {
                                    buffer.flip();
                                    log.debug("{} message:", sc.getRemoteAddress());
                                    debugAll(buffer);
                                }
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                                key.cancel();
                                sc.close();
                            }
                        }
                        iter.remove();
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}