Netty系列-NIO编程

与 Socket类和 Server Socket类相对应，NIO也提供了 Socket channel和 Server Socketchannel两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用非常简单，但是性能和可靠性都不好，非阻塞模式则正好相反。开发人员一般可以根据自己的需要来选择合适的模式，一般来说，低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞ⅠO以降低编程复杂度，但是对于高负载、高并发的网络应用，需要使用NO的非阻塞模式进行开发

NIO的特性/NIO与IO区别

首先肯定要从 NIO 流是非阻塞 IO 而 IO 流是阻塞 IO 说起。然后，可以从 NIO 的3个核心组件/特性为 NIO 带来的一些改进来分析。

1. Non-blocking IO（非阻塞IO）IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的。

   Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说，单线程中从通道读取数据到buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到buffer中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外，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。

   Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了

2. Buffer(缓冲区) IO 面向流(Stream oriented)，而 NIO 面向缓冲区(Buffer oriented)。

   Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中·可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类，但只是流的包装类，还是从流读到缓冲区，而 NIO 却是直接读到 Buffer 中进行操作。

   // Class Buffer Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
   private int mark = -1;  	//标记
   private int position = 0; 	//游标
   private int limit;			//限制
   private int capacity;		//容量
   

   在NIO厍中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

   最常用的缓冲区是 ByteBuffer,一个 ByteBuffer 提供了一组功能用于操作 byte 数组。除了ByteBuffer,还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型（除了Boolean类型）都对应有一种缓冲区。

3. Channel (通道) NIO 通过Channel（通道） 进行读写。

   通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和Buffer交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。常用接口：SocketChannel(TCP连接)、ServerSocketChannel(TCP连接)、FileChannel(文件拷贝)、DatagramChannel(UDP连接)。

   关于 Buffer和 Channel的注意事项和细节：

   1. Byte Buffer支持类型化的put和get，put放入的是什么数据类型，get相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException异常。
   2. 可以将一个普通 Buffer转成只读 Buffer。
   3. NIO还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外行修改，而如何同步到文件由NO来完成。前面我们讲的读写操作，都是通过一个 Buffer完成的，NIO还支持Buffer（即Buffer数组）完成读写操作，即 Scattering和 Gatering。

4. Selector (选择器) NIO有选择器，而IO没有。

   选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此，为了提高系统效率选择器是有用的。

   // The set of keys registered with this Selector
   private final Set<SelectionKey> keys;
   
   // The set of keys with data ready for an operation
   private final Set<SelectionKey> selectedKeys;
   
   // Public views of the key sets
   private final Set<SelectionKey> publicKeys;             // Immutable
   private final Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;     // Removal allowed, but not addition
   
   // used to check for reentrancy
   private boolean inSelect;
   

NIO 读数据和写数据方式

通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的。

• 从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。
• 从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据。

数据读取和写入操作图示：

NIO核心组件简单介绍

NIO 包含下面几个核心的组件：

• Channel(通道)
• Buffer(缓冲区)
• Selector(选择器)

整个NIO体系包含的类远远不止这三个，只能说这三个是NIO体系的“核心API”。我们上面已经对这三个概念进行了基本的阐述，这里就不多做解释了。

public class NIOServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. serverSelector负责轮询是否有新的连接，服务端监测到新的连接之后，不再创建一个新的线程，
    // 而是直接将新连接绑定到clientSelector上，这样就不用 IO 模型中 1w 个 while 循环在死等
    Selector serverSelector = Selector.open();
    // 2. clientSelector负责轮询连接是否有数据可读
    Selector clientSelector = Selector.open();

    new Thread(() -> {
      try {
        // 对应IO编程中服务端启动
        ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
        listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
        listenerChannel.configureBlocking(false);
        listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
          // 监测是否有新的连接，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (serverSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

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

              if (key.isAcceptable()) {
                try {
                  // (1) 每来一个新连接，不需要创建一个线程，而是直接注册到clientSelector
                  SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                  clientChannel.configureBlocking(false);
                  clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();
    new Thread(() -> {
      try {
        while (true) {
          // (2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (clientSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

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

              if (key.isReadable()) {
                try {
                  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                  // (3) 面向 Buffer
                  clientChannel.read(byteBuffer);
                  byteBuffer.flip();
                  System.out.println(
                      Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer).toString());
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                  key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();

  }
}

缺点：

• JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现，该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100%
• 项目庞大之后，自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug，维护成本较高，上面这一坨代码我都不能保证没有 bug

总结

最后总结一下到底NIO给我们带来了些什么：

• 事件驱动模型
• 避免多线程
• 单线程处理多任务
• 非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞，而是返回0
• 基于block的传输，通常比基于流的传输更高效
• 更高级的IO函数，zero-copy
• IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性