NIO总结

　　NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel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(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

　　NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。

　　NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，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。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

　　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，直到有一些数据可以被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

　　NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，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，所以直至数据变得可以读取之前，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。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

一、传统IO和NIO具体实际用法区别

　　传统IO：

 public static void method2(){
        InputStream in = null;
        try{
            in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt"));
            byte [] buf = new byte[1024];
            int bytesRead = in.read(buf);
            while(bytesRead != -1)
            {
                for(int i=0;i<bytesRead;i++)
                    System.out.print((char)buf[i]);
                bytesRead = in.read(buf);
            }
        }catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(in != null){
                    in.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

　　NIO：

public static void method1(){
        RandomAccessFile aFile = null;
        try{
            aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw");
            FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();//获取通道
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//创建Buffer并分配空间
            int bytesRead = fileChannel.read(buf);//从通道中读取数据到Buffer中
            System.out.println(bytesRead);
            while(bytesRead != -1)
            {
                buf.flip();//切换为读模式
                while(buf.hasRemaining())
                {
                    System.out.print((char)buf.get());//从Buffer中读取数据
                }
                buf.compact();//清空已读的数据，未读的数据会整理到Buffer头部
                bytesRead = fileChannel.read(buf);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(aFile != null){
                    aFile.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

二、Buffer

　　Buffer关注的是存放什么类型的数据，只支持基本数据类型，而且不支持基本类型的boolean类型。所以基础的Buffer，就是7种，对应Java的7个基础类型：

　　1、从上面的示例中可以总结出使用Buffer一般遵循下面几个步骤：

　　　　（1）分配空间（ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 还有一种allocateDirector后面再陈述）

　　　　（2）写入数据到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)

　　　　（3）调用filp()方法（ buf.flip();）

　　　　（4）从Buffer中读取数据（System.out.print((char)buf.get());）

　　　　（5）调用clear()方法或者compact()方法

　　2、Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图：

　　向Buffer中写数据：

　　　　（1）从Channel写到Buffer (fileChannel.read(buf))

　　　　（2）通过Buffer的put()方法（buf.put(…)）

　　从Buffer中读取数据：

　　　　（1）从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))

　　　　（2）使用get()方法从Buffer中读取数据（buf.get()）

　　可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：capacity，position，limit，mark。其中capacity在读写模式下都是固定的，就是分配的缓冲大小，position类似于读写指针，表示当前读(写)到什么位置，limit在写模式下表示最多能写入多少数据，此时和capacity相同，在读模式下表示最多能读多少数据，此时和缓存中的实际数据大小相同：

索引	说明
capacity	缓冲区数组的总长度
position	下一个要操作的数据元素的位置
limit	缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置：limit<=capacity
mark	用于记录当前position的前一个位置或者默认是-1

　　我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个11个byte的数组的缓冲区，初始状态图，position的位置为0，capacity和limit默认都是数组长度。　　

　　当写入5个字节时，变化如下图：

　　当需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道，所以我们调用ByteBuffer.flip()方法，即调用flip方法后的变化如下图所示（position设回0，并将limit设成之前的position的值）：

　　这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前再调用clear()方法，缓冲区的索引位置又回到了初始位置。

　　在写模式下调用flip()方法，buffer从写模式切换到读模式，limit会设置为position当前的值(即当前写了多少数据)，postion会被置为0，以表示读操作从缓存的头开始读。也就是说调用flip之后，读写指针指到缓存头部，并且设置了最多只能读出之前写入的数据长度(而不是整个缓存的容量大小)。

　　注意：buffer.flip();一定得有，如果没有，就是从文件最后开始读取的，当然读出来的都是byte=0时候的字符。通过buffer.flip();这个语句，就能把buffer的当前位置更改为buffer缓冲区的第一个位置。

　　调用clear()方法：position将被设回0，limit设置成capacity，换句话说，Buffer被清空了，其实Buffer中的数据并未被清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先写些数据，那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

　　通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。

三、Channel

　　Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream。而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

　　分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

　　Channel 必须要配合 Buffer 一起使用，我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中，同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中，如下：

　　上面的示例代码是FileChannel的使用方式。

　　这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。在传统的Socket IO中，对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞；对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞，直到连接的另一端传来新的数据。总的来说，创建/接收连接或读写数据等I/O调用，都可能无限期地阻塞等待，直到底层的网络实现发生了什么。慢速的，有损耗的网络，或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是，在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。

　　NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，以实现非阻塞式的信道。

　　channel.configureBlocking(false)

　　在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如，在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法，如果有连接请求来了，则返回客户端SocketChannel，否则返回null。

　　这里先举一个TCP应用案例，客户端采用NIO实现，而服务端依旧使用BIO实现。
　　客户端代码（案例3）：

　　public static void client(){
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//创建Buffer并分配空间
        SocketChannel socketChannel = null;
        try{
            socketChannel = SocketChannel.open();//获取客户端SocketChannel
            socketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));//连接服务端地址
            if(socketChannel.finishConnect())//如果完成了连接
            {
                int i=0;
                while(true)
                {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());//写入数据到Buffer
                    buffer.flip();//切换为读模式
                    while(buffer.hasRemaining()){//如果buffer没有读完
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);//写入数据到通道
                    }
                }
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        } finally{
            try{
                if(socketChannel!=null){
                    socketChannel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

　　服务端代码（案例4）：

　　public static void server(){
        ServerSocket serverSocket = null;
        InputStream in = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8080);//创建传统的阻塞模式服务端Socket
            int recvMsgSize = 0;
            byte[] recvBuf = new byte[1024];
            while(true){
                Socket clntSocket = serverSocket.accept();//打开接受客户端连接，如果没有客户端连接，则阻塞在这个方法上
                SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();//获取客户端地址
                System.out.println("Handling client at "+clientAddress);
                in = clntSocket.getInputStream();//获取客户端输入，阻塞IO模式
                while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){//如果还没有读完
                    byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                    System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
                    System.out.println(new String(temp));
                }
            }
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        } finally{
            try{
                if(serverSocket!=null){
                    serverSocket.close();
                }
                if(in!=null){
                    in.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

　　根据上面的案例，总结一下SocketChannel的用法。

　　（1）打开SocketChannel：

　　socketChannel = SocketChannel.open();
　　socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

　　发送数据到Server：

　　String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
　　buffer.clear();
　　buffer.put(info.getBytes());//写入数据到Buffer中
　　buffer.flip();
　　while(buffer.hasRemaining()){
　　　　System.out.println(buffer);
　　　　socketChannel.write(buffer);//从Buffer写数据到channel中，并发送到Server端
　　}

　　注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

　　非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。　　

　　关闭：

　　socketChannel.close();

四、Selector

　　Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel，

然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

　　如果用传统的方式来处理这么多客户端，使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作，如果当前客户端有I/O操作，则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理，如果没有

I/O操作则进行下一个轮询，当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询；这种方法是非常笨而且也非常浪费资源，因为大部分客户端是没有I/O操作，我们也要去检查；

　　一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。选择器就是一个多路开关选择器，因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。它在内部可以同时管理多个I/O，当一个信道有I/O操作的时候，他会通知Selector，Selector就是记住这个信道有I/O操作，并且知道是何种I/O操作，是读呢？是写呢？还是接受新的连接；所以如果使用Selector，它返回的结果只有两种结果，一种是0，即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作，另一种结果是一组需要I/O操作的客户端，这时你就根本不需要再检查了，因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多！

　　要使用选择器（Selector），需要创建一个Selector实例（使用静态工厂方法open()）并将其注册（register）到想要监控的信道上（注意，这要通过channel的方法实现，而不是使用selector的方法）。最后，调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待，直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在，在一个单独的线程中，通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好，select()方法就会返回0，并允许程序继续执行其他任务。

　　下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式（案例5）：

public class ServerConnect{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String[] args){
        selector();
    }
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();//获取服务端通道
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();//开启接收客户端连接
        sc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));//把通道注册到Selector上，并且接收的事件的读事件
    }
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();//获取Selector
            ssc= ServerSocketChannel.open();//开启服务端通道
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));//绑定监听端口
            ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//注册到Selector上
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){//如果没有客户端连接
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();//
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

　　与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

　　　　1. Connect　　--- 连接事件

　　　　2. Accept　　 --- 接收事件

　　　　3. Read　　　 --- 读事件

　　　　4. Write　　 --- 写事件

　　通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

　　这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

　　　　1. SelectionKey.OP_CONNECT

　　　　2. SelectionKey.OP_ACCEPT

　　　　3. SelectionKey.OP_READ

　　　　4. SelectionKey.OP_WRITE

　　SelectionKey

　　当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

　　　　（1）interest集合　　

　　　　（2）ready集合

　　　　（3）Channel

　　　　（4）Selector

　　　　（5）附加的对象（可选）

　　interest集合：就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

　　ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。可以这样访问ready集合：

　　int readySet = selectionKey.readyOps();

　　可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

　　selectionKey.isAcceptable();
　　selectionKey.isConnectable();
　　selectionKey.isReadable();
　　selectionKey.isWritable();

　　从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

　　Channel  channel  = selectionKey.channel();
　　Selector selector = selectionKey.selector();

　　可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

　　selectionKey.attach(theObject);
　　Object attachedObj = selectionKey.attachment();

　　还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

　　SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

　　通过Selector选择通道

　　一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

　　下面是select()方法：

　　　　int select()

　　　　int select(long timeout)

　　　　int selectNow()

　　select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
　　select(long timeout)和select()一样，最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
　　selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

　　select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪，即自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

　　一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：　

　　Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

　　当向Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。

　　注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

　　SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

　　一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

参考：

1、Java NIO？看这一篇就够了！　　https://mp.weixin.qq.com/s/c9tkrokcDQR375kiwCeV9w?

2、NIO相关基础篇　　https://mp.weixin.qq.com/s/ln5YR__A0RPpvqTVbj3o-g

3、IO多路复用之select、poll、epoll详解　　https://www.cnblogs.com/jeakeven/p/5435916.html

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