Netty - NIO基础学习

一简介

1 三大模型是什么？

IO三大模型之一，BIO，AIO，还有我们的主角NIO(non-blocking-io)，也就是同步非阻塞式IO。这三种模型到底是干什么的？其实这三种模型都是对于JAVA的一种I/O框架，用来进行输入，输出操作。另一方面，以上三种模型提供的是统一的API操作，可以理解为JAVA针对于各种操作系统的IO模型进行的封装，从而具有一定的跨平台性等。作为开发者，我们不需要再了解有关操作系统层面的知识，直接使用这三种框架封装的API进行使用即可！

2 NIO

NIO（New Input/Output）是Java中的一种I/O（输入/输出）框架，主要用于处理异步I/O操作。它在Java 1.4版本中引入，旨在提高I/O操作的性能和可扩展性。

NIO的主要特点：

非阻塞I/O：NIO允许线程在发起I/O操作后继续执行其他任务，而不必等待I/O操作完成，从而提高了应用的响应性。
选择器（Selector）：NIO引入了选择器，允许单个线程管理多个通道（Channel），从而减少了资源消耗和上下文切换的开销。
通道（Channel）：NIO使用通道进行数据的读写，通道是双向的，可以同时进行读和写操作。
缓冲区（Buffer）：NIO使用缓冲区来存储数据，缓冲区在读写过程中充当数据的临时存储区。
文件通道（FileChannel）：NIO还提供了文件通道，可以用于高效地处理文件I/O。

NIO特别适合于需要处理大量并发连接的网络应用，如Web服务器和聊天应用等。通过非阻塞I/O和选择器，NIO能够更好地利用系统资源，提高整体性能。

二 NIO三大组件

1.Channel（通道）

相当于我们之前学习IO流操作中的输入输出流，起到一个通道的作用。但是在这里这个更加全面，既可以充当输入流，又可以充当输出流。是为双向通道。channel比Stream更底层，双向。

2.Buffer（缓冲区）

缓冲区，作为一个在网络或者是本地文件与计算机之间的桥梁，任何数据在进入通道Channel之前都需要经过Buffer。前者可以将数据读入Buffer，也可以将Buffer当中的数据写入Channel当中

3.Selector（选择器）

选择器是NIO中用于处理非阻塞I/O的核心组件。它允许单个线程管理多个通道。

我认为将其与各种服务器设计模式相结合进行介绍，会更加清晰。

我们以BIO（同步阻塞IO）举例，这样更加方便理解

我们都知道，BIO是一种同步阻塞IO，在服务端与客户端之间，其会建立一个一个通道（Socket）以进行彼此之间的数据输入和输出，但是对于一个服务端，如果想要与多个客户端之间建立连接，那么就需要建立多个线程，也就是一个线程对应一个客户端。如下图：

但是这样存在很大的弊端，如果有很多的客户端都进行访问，那么就会创建多个线程与其连接 ，就会导致CPU资源被占用许多，甚至直接宕机，导致客户端无法被外部访问。各个线程上下文之间的来回切换，线程创建，也会消耗大量资源。（这也就是为什么要创建线程池了。。。。）另一方面，BIO还有一个特点，那就是阻塞 ！如果一个客户端没有发送消息，那么对应的线程就会一直等待，直到客户端发送新的消息，才会继续进行执行。在此之前，等待的过程，就会造成CPU资源的大量占用。所以这种方式只适用于比较少的客户端访问。其实这就是服务器的设计之一 ----- 多线程设计模式

有的大佬就会想到，可以创建线程池来处理问题，没错，我们上面面对的一个大问题就是：线程会随着客户端的访问而不断的创建。从而导致资源的大量占用。使用线程池可以设定线程的最大数量，用以解决客户端访问过多造成的问题。但是这种解决方式也存在很大问题，至于为什么，大家可以想一想。

**线程池设计模式。**顾名思义，就是针对之前一个线程对应一个客户端的情形进行该进，变为一个线程针对多个客户端进行处理，如下：

这种设计模式相比多线程有所提高，但是因为在阻塞模式下，依旧是一个线程在处理时仅仅只能够处理一个客户端，也就是Socket连接，因此其适合一个线程下连接的Scoket比较少的情况。

Slector版设计模式。 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），如下图：

这种设计模式，一个线程对应一个选择器，这个选择器会直接监视其下的所有通道，一旦这些通道有什么动作发生，选择器就会将其汇报给线程，由线程进行解决。

非阻塞的形式，也就是说，我们选择器监视下的各个通道，比如第一个通道，如果其当前没有任务，那么我们的选择器就不会等待，而是直接看下一个通道是否有任务。

适合流量比较低，指的就是，如果我们的通道一下接收一个比较大的数据，那么选择器就会长时间的停留于它，直到它的任务结束，数据如果比较大，也就是如果流量比较大，那么就会影响其他通道的正常使用，因此适用于流量比较低的场景。

由此可见，选择器适合于事件驱动的应用程序，可以有效地处理大量并发连接，减少线程上下文切换的开销。

三 Buffer - ByteBuffer

上面我们简单说了几个比较缓冲区的Buffer，但是比较常用的实际上就一个ByteBuffer，所以我们拿这个作为详细介绍

1.基本使用

java 复制代码

@Slf4j
public class ChannelDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {
            FileChannel channel = file.getChannel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            do {
                // 向 buffer 写入
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读到字节数：{}", len);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                // 切换 buffer 读模式
                buffer.flip();
                while(buffer.hasRemaining()) {
                    log.debug("{}", (char)buffer.get());
                }
                // 切换 buffer 写模式
                buffer.clear();
            } while (true);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上使用通道FileChannel与Buffer进行了一个简单的文件读取，以及对应文件内容的日志打印。

2.BetyBuffer使用说明：

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

3.ByteBuffer结构

其内部实际上是一个类似数组的存储结构，数组的长度也就是我们在使用allocate方法的时候自定义的。

ByteBuffer主要有三个比较重要的属性：

position（当前位置）

limit（限制）

capaciy（为数组容量）

刚开始写入数据操作

在我们刚开始进行数据写入操作的时候，position从头开始，后两个都在最后，每写入一个数据，对应的position指针就会向后移动一位，如图。

获取数据

使用filp获取数据的时候，对应的position指针就会从头开始，索引归零，取而代之的是limit，用来代替之前写入的数据的最大索引位置，为了防止读取出来的数据为空。

**clear动作发生之后，**会将数组内部的所有元素都清空，变为空，从头来过，重新进行写操作。

还有一种写操作，为**compact动作，**比如我们因为某种原因，之前没有读取完的数据，那么就会直接将其进向前压缩，并且更新对应读取的时候的Position以及Limit的位置。从而达到写的操作。