NIO programming

1、NIO介绍

Java NIO 全称java non-blocking IO ,是指 JDK 提供的新 API.从 JDK1.4 开始,Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性,被统称为 NIO(即 New IO),是同步非阻塞的.

1. NIO 有三大核心部分：Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
2. NIO是 面向缓冲区编程的.数据读取到一个缓冲区中,需要时可在缓冲区中前后移动,这就增加了处理过程中的灵活性,使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
3. Java NIO 的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求或者读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取,而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情. 非阻塞写也是如此,一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入, 这个线程同时可以去做别的事情.通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的.假设有 10000 个请求过来,根据实际情况,可以分配50 或者 100 个线程来处理.不像之前的阻塞 IO 那样,非得分配 10000 个

2、NIO和 BIO的比较

1. BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以缓冲区的方式处理数据,缓冲区 I/O 的效率比流 I/O 高很多
2. BIO 是阻塞的,NIO则是非阻塞的
3. BIO 基于字节流和字符流进行操作,而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中.Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求, 数据到达等）,因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

3、NIO 三大核心原理示意图

1. 每个 channel 都会对应一个 Buffer
2. Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个 channel(连接)
3. 每个 channel 都注册到 Selector选择器上
4. Selector不断轮询查看Channel上的事件, 事件是通道Channel非常重要的概念
5. Selector 会根据不同的事件,完成不同的处理操作
6. Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组
7. 数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO , BIO 中要么是输入流,或者是输出流, 不能双向,但是NIO 的 Buffer 是可以读也可以写 , channel 是双向的

4、三大核心

4.1、缓冲区（Buffer）

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块,可以理解成是一个数组,该对象提供了一组方法,可以更轻松地使用内存块,,缓冲区对象内置了一些机制,To track and record of the buffer
状态变化情况.Channel 提供从网络读取数据的渠道,但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer.

4.2、 通道(Channel)

通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的.NIO 的通道类似于流,但有些区别如下：

1. 通道可以读也可以写,流一般来说是单向的（只能读或者写,所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）
2. 通道可以异步读写
3. 通道总是基于缓冲区Buffer来读写

4.3、Selector (选择器)

可以用一个线程,处理多个的客户端连接,就会使用到NIO的Selector(选择器). Selector 能够检测多个注册的服务端通道上是否有事件发生,如果有事件发生,便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理.这样就可以只用一个单线程去管理多个通道,也就是管理多个连接和请求.

5、代码实现

NIOServer

public class NIOServer {
    
    /** * 1. 打开一个服务端通道 * 2. 绑定对应的端口号 * 3. 通道默认是阻塞的,需要设置为非阻塞 * 4. 创建选择器 * 5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT * 6. 检查选择器是否有事件 * 7. 获取事件集合 * 8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable() * 9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ * 10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable() * 11. 得到客户端通道,读取数据到缓冲区 * 12. 给客户端回写数据 * 13. 从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理. * @param args */
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    
        //1. 打开一个服务端通道
        ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //2. 绑定对应的端口号
        socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        //3. 通道默认是阻塞的,需要设置为非阻塞
        // true 为通道阻塞 false 为非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //4. 创建选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务端已启动...");
        while (true){
    
            //6. 检查选择器是否有事件
            int select = selector.select(2000);
            if (select==0){
    
                continue;
            }
            //7. 获取事件集合
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            if (iterator.hasNext()){
    
                //8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()){
    
                    //9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
                    SocketChannel channel = socketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端已连接......" + channel);
                    //必须设置通道为非阻塞, 因为selector需要轮询监听每个通道的事件
                    channel.configureBlocking(false);
                    channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                }
                //10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
                if (key.isReadable()){
    
                    //11. 得到客户端通道,读取数据到缓冲区
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int read = channel.read(buffer);
                    System.out.println("客户端的数据"+new String(buffer.array(),0,read,StandardCharsets.UTF_8));
                    channel.write(ByteBuffer.wrap("不想还钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
                    channel.close();
                }
                iterator.remove();
            }

        }
    }
}

NIOClient

public class NIOClient {
    
    /** * 1. 打开通道 * 2. 设置连接IP和端口号 * 3. 写出数据 * 4. 读取服务器写回的数据 * 5. 释放资源 */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
        //1. 打开通道
        SocketChannel open = SocketChannel.open();
        //2. 设置连接IP和端口号
        open.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
        //3. 写出数据
        open.write(ByteBuffer.wrap("还钱".getBytes()));
        //4. 读取服务器写回的数据
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int write = open.read(buffer);
        System.out.println(new String(buffer.array(),0,write, StandardCharsets.UTF_8));
        //5. 释放资源
        open.close();
    }
}