第 3 章 Java NIO 编程

3.1 Java NIO 基本介绍

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
NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
NIO 有三大核心部分：Channel( 数据通道)【BIO socket】，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)

说明：Server端也是有Buffer的，未画出来。
NIO 是面向缓冲区，或者面向块编程的。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，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
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（BIO模式的read方法在Client没有发数据就会一直阻塞的），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。
如果10000个请求，50个Thread，即是50个Selector，每个Selector管理200个Channel即可；
HTTP2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP1.1 大了好几个数量级

3.2 NIO 和 BIO 的比较

BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块(Buffer)的方式处理数据, 块 I/O 的效率比流 I/O 高很多
BIO 是阻塞的，NIO 则是同步非阻塞的
BIO 基于字节流和字符流(单向的)进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道，双向的)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，单个线程，单个Selector；

3.3 NIO 三大核心原理示意图

一张图描述 NIO 的 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系
3.3.1Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图(简单版)
在这里插入图片描述
关系图的说明:

每个channel 都会对应一个Buffer
Selector 对应一个线程，一个线程对应多个channel(连接)
该图反应了有三个channel 注册到该selector //程序
程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组
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，单向的, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换；
channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ，底层的操作系统通道就是双向的.

3.4 缓冲区(Buffer)

3.4.1 基本介绍

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 容器对象( 含数组)，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，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、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，如图:
在这里插入图片描述
3.4.2 Buffer 类及其子类

1) 在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图:
在这里插入图片描述

2) Buffer 类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息:

在这里插入图片描述
3) Buffer 类相关方法一览

3.4.3 ByteBuffer

从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型(boolean 除外)，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是 ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下
在这里插入图片描述

3.5 通道(Channel)

基本介绍

NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:

BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。
Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
常用的 Channel 类有 ： FileChannel 、 DatagramChannel 、ServerSocketChannel 和 SocketChannel 。
【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】
当Client有连接来了，先会找主线程，它会给每一个客户端创建一个对应的 SocketChannel，然后用这个SocketChannel与服务器进行通信，当然这里的SocketChannel会被注册到某一个Selector选择器上面去；
FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和SocketChannel 用于 TCP 的数据读写

3.5.1 FileChannel 类

FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
publiclong transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

应用实例1-写数据到本地文件

public static void main(String[] args) throws Exception{
        /** 先把数据写到Buffer，再把Buffer数据放到Channel，Channel 连接到文件 **/

        String str = "hello word";
        //创建一个缓冲区 ByteBuffer  Channel 必须有一个 Buffer 配合使用
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        //将 str 放入 byteBuffer
        byteBuffer.put(str.getBytes());

        //对byteBuffer 进行flip  写转读操作，limit起作用  一定要反转
        byteBuffer.flip();

        //创建一个输出流->channel    FileOutputStream包裹了Channel
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\file01.txt");

        //通过 fileOutputStream 获取 对应的 FileChannel
        //这个 fileChannel 真实 类型是  FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();

        //将byteBuffer 数据写入到 fileChannel
        fileChannel.write(byteBuffer);
        fileOutputStream.close();
    }

1.先把数据写到Buffer，再把Buffer数据放到Channel，Channel 连接到文件
在这里插入图片描述
2.FileOutputStream包裹了Channel

应用实例2-读数据从本地文件

public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建文件的输入流
        File file = new File("d:\\file01.txt");
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);

        //通过fileInputStream 获取对应的FileChannel -> 实际类型  FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

        //创建缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());

        //将通道的数据读入到Buffer
        fileChannel.read(byteBuffer);

        //将byteBuffer 的 字节数据 转成String   返回此缓冲区的底层实现数组
        System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
        fileInputStream.close();
    }
}

在这里插入图片描述
应用实例3-使用一个Buffer完成文件的拷贝

public static void main(String[] args) throws Exception {

        //source
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
        FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();

        //target
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
        FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();

        //Buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);

        //cycle data
        while (true) {
            //这里有一个重要的操作，一定不要忘了 因为文件大小超过512会有问题
            /*
            清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态，但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
             public final Buffer clear() {
                position = 0;
                limit = capacity;
                mark = -1;
                return this;
            }
            
            原因：
            因为在第一次 fileChannel01.read(byteBuffer) 之后 mark=-1 position=36 limit=512 capacity=512
                                     byteBuffer.flip() 之后 mark=-1 position=0  limit=36  capacity=512
                       fileChannel02.write(byteBuffer) 之后 mark=-1 position=36  limit=36  capacity=512
            下一次循环  read == 0，会一直打印 read value = 0 死循环了
             */
            byteBuffer.clear(); //清空buffer
            int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
            System.out.println("read value =" + read);
            if(read == -1) { //表示读完
                break;
            }
            //将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txt
            byteBuffer.flip();
            fileChannel02.write(byteBuffer);
        }

        //关闭相关的流
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }
}

在这里插入图片描述
应用实例4-拷贝文件transferFrom 方法

public static void main(String[] args)  throws Exception {

        //创建相关流
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg");
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg");

        //获取各个流对应的fileChannel
        FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
        FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();

        //使用transferForm完成拷贝
        destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());
        //关闭相关通道和流
        sourceCh.close();
        destCh.close();
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常

public static void main(String[] args) {

        //创建一个Buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        //类型化方式放入数据
        buffer.putInt(100);
        buffer.putLong(9);
        buffer.putChar('尚');
        buffer.putShort((short) 4);

        //取出
        buffer.flip();

        System.out.println(buffer.getInt());
        System.out.println(buffer.getLong());
        System.out.println(buffer.getChar());
        System.out.println(buffer.getShort());//buffer.getLong()  java.nio.BufferUnderflowException
    }

可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer

public static void main(String[] args) {

        //创建一个buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        for(int i = 0; i < 64; i++) {
            buffer.put((byte)i);
        }

        //读取
        buffer.flip();

        //得到一个只读的Buffer
        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

        //读取
        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
            //从当前位置position上get，get之后，position会自动+1
            System.out.println(readOnlyBuffer.get());
        }
        
        readOnlyBuffer.put((byte)100); //ReadOnlyBufferException
    }

NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，而如何同步到文件由 NIO 来完成

public static void main(String[] args) throws Exception {

        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        //获取对应的通道
        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();

        /**
         * 参数1: FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式
         * 参数2： 0 ： 可以直接修改的起始位置
         * 参数3:  5: 是映射到内存的大小(不是索引位置) ,即将 1.txt 的多少个字节映射到内存，最多5个，即下标是0到4
         * 可以直接修改的范围就是 0-5
         * 实际类型 DirectByteBuffer
         */
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
        mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9');
//        mappedByteBuffer.put(5, (byte) 'Y');//IndexOutOfBoundsException

        randomAccessFile.close();
        System.out.println("修改成功~~");
    }

前面我们讲的读写操作，都是通过一个 Buffer 完成的，NIO 还支持通过多个 Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 分散和 Gathering 聚合

/**
 * Scattering：将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入  [分散]
 * Gathering: 从buffer读取数据时，可以采用buffer数组，依次读
 */
public class ScatteringAndGatheringTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 网络

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);

        //绑定端口到socket ，并启动
        serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

        //等客户端连接(telnet)
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        //创建buffer数组
        ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
        byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
        byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);
        int messageLength = 8;   //假定从客户端接收8个字节
        //循环的读取
        while (true) {
            int byteRead = 0;
            while (byteRead < messageLength ) {
                long l = socketChannel.read(byteBuffers);
                byteRead += l; //累计读取的字节数
                System.out.println("byteRead=" + byteRead);
                //使用流打印, 看看当前的这个buffer的position 和 limit
                Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "postion=" + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out::println);
            }

            //将所有的buffer进行flip
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip());

            //将数据读出显示到客户端
            long byteWirte = 0;
            while (byteWirte < messageLength) {
                long l = socketChannel.write(byteBuffers); //
                byteWirte += l;
            }

            //将所有的buffer 进行clear
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer-> {
                buffer.clear();
            });
            System.out.println("byteRead:=" + byteRead + " byteWrite=" + byteWirte + ", messagelength" + messageLength);
        }
    }
}

3.6 Selector(选择器)

Java NIO之Selector（选择器）
3.6.1 基本介绍

Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)，管理多个Channel(SocketChannel)
Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个Selector)，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。
只有在连接/通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程
避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

3.6.2 Selector 示意图和特点说明
在这里插入图片描述

3.6.3 Selector 类相关方法
在这里插入图片描述

说明：selector 选择器是和线程关联的，然后selector调用select方法，这个方法阻塞的等待返回发生事件的一个集合Set，然后遍历它反向获取到对应的Channel(SelectableChannel)，再处理对应的Channel 发生的事件；每个SelectionKey里面聚合了Channel，通过channel()方法可以获取到与之绑定的Channel；NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket

3.7 NIO 非阻塞网络编程原理分析图

NIO 非阻塞网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 关系梳理图
在这里插入图片描述
对上图的说明:

当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.
将 socketChannel 注册到 Selector 上, register(Selector sel, int ops), 一个 selector 上可以注册多个 SocketChannel
注册后返回一个 SelectionKey, 会和该 Selector 关联(集合)
进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel()
可以通过得到的 channel , 完成业务处理

3.8 NIO 非阻塞网络编程快速入门

案例要求: 编写一个 NIO 入门案例，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）

Server
public static void main(String[] args) throws Exception{

        //创建ServerSocketChannel -> ServerSocket
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //得到一个Selecor对象
        Selector selector = Selector.open();

        //绑定一个端口6666, 在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        //设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPT 连接事件
        // serverSocketChannel在服务器端监听新的客户端 Socket 连接，创建SocketChannel
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        //selector.keys()           返回所有注册过的Channel
        //selector.selectedKeys()   有事件发生的Channel
        System.out.println("注册后的 selectionKey 数量=" + selector.keys().size()); // 1


        //循环等待客户端连接
        while (true) {

            //这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回
            if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生
                System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");
                continue;
            }

            //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
            //1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件
            //2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合  返回某一时刻有事件发生的Channel
            //   通过 selectionKeys 反向获取通道
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());

            //遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {

                //获取到SelectionKey
                SelectionKey key = keyIterator.next();

                //根据key 对应的通道发生的事件做相应处理  客户端第一次是从这里进来的
                if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
                    //该该客户端生成一个 SocketChannel  accept本身是阻塞的，但前面已经判断是来连接的请求
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
                    //将  SocketChannel 设置为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel
                    //关联一个Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));

                    System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..

                }

                if(key.isReadable()) {  //发生 OP_READ

                    //通过key 反向获取到对应channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();

                    //获取到该channel关联的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                    //从Channel读到buffer里面
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));
                }

                //手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }

Client
public static void main(String[] args) throws Exception{

        //得到一个网络通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //提供服务器端的ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        //连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {

            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");
            }
        }

        //...如果连接成功，就发送数据
        String str = "hello, word~";
        //Wraps a byte array into a buffer  客户端和服务器端都有各自的Buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();

    }

3.9 SelectionKey

在这里插入图片描述

3.10 ServerSocketChannel

在这里插入图片描述

3. 11 SocketChannel

在这里插入图片描述

3.12 NIO 网络编程应用实例-群聊系统

实例要求:

编写一个 NIO 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
实现多人群聊
服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息(有服务器转发得到)

public class GroupChatServer {
    //定义属性
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel listenChannel;
    private static final int PORT = 6667;

    //构造器
    //初始化工作
    public GroupChatServer() {

        try {

            //得到选择器
            selector = Selector.open();
            //ServerSocketChannel
            listenChannel =  ServerSocketChannel.open();
            //绑定端口
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            //设置非阻塞模式
            listenChannel.configureBlocking(false);
            //将该listenChannel 注册到selector
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    //监听
    public void listen() {

        System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
        try {

            //循环处理
            while (true) {

                int count = selector.select();
                if(count > 0) {//有事件处理

                    //遍历得到selectionKey 集合
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        //取出selectionKey
                        SelectionKey key = iterator.next();

                        //监听到accept
                        if(key.isAcceptable()) {
                            SocketChannel sc = listenChannel.accept();
                            sc.configureBlocking(false);
                            //将该 sc 注册到selector，关注可读事件
                            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                            //提示
                            System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
                        }

                        //Client发消息过来，这里进行读取操作
                        if(key.isReadable()) { //通道发送read事件，即通道是可读的状态

                            //处理读 (专门写方法..)
                            readData(key);
                        }
                        //当前的key 删除，防止重复处理
                        iterator.remove();
                    }

                } else {
                    System.out.println("等待....");
                }
            }

        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();

        }finally {
            //发生异常处理....

        }
    }

    //读取客户端消息
    private void readData(SelectionKey key) {

        //取到关联的channel
        SocketChannel channel = null;

        try {
           //得到关联的channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            //创建buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int count = channel.read(buffer);

            //根据count的值做处理
            if(count > 0) {
                //把缓存区的数据转成字符串
                String msg = new String(buffer.array());
                //输出该消息
                System.out.println("form 客户端: " + msg);

                //向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
                sendInfoToOtherClients(msg, channel);
            }

        }catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
                //取消注册
                key.cancel();
                //关闭通道
                channel.close();
            }catch (IOException e2) {
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    //转发消息给其它客户(通道)
    private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws  IOException{

        System.out.println("服务器转发消息中...");
        System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
        //遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self   selector.keys()所有注册的Channel
        for(SelectionKey key: selector.keys()) {

            //通过 key  取出对应的 SocketChannel
            Channel targetChannel = key.channel();

            //排除自己
            if(targetChannel instanceof  SocketChannel && targetChannel != self) {

                //转型
                SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
                //将msg 存储到buffer
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                //将buffer 的数据写入 通道
                dest.write(buffer);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        //创建服务器对象
        GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
        groupChatServer.listen();
    }
}

public class GroupChatClient {

    //定义相关的属性
    private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
    private final int PORT = 6667; //服务器端口
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;

    //构造器, 完成初始化工作
    public GroupChatClient() throws IOException {

        selector = Selector.open();
        //连接服务器
        socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //将channel 注册到selector
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        //得到username
        username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
        System.out.println(username + " is ok...");

    }

    //向服务器发送消息
    public void sendInfo(String info) {

        info = username + " 说：" + info;

        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //读取从服务器端回复的消息
    public void readInfo() {

        try {

            int readChannels = selector.select();
            if(readChannels > 0) {//有可以用的通道

                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {

                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if(key.isReadable()) {
                        //得到相关的通道
                       SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                       //得到一个Buffer
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        //读取
                        sc.read(buffer);
                        //把读到的缓冲区的数据转成字符串
                        String msg = new String(buffer.array());
                        System.out.println(msg.trim());
                    }
                }
                iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
            } else {
                //System.out.println("没有可以用的通道...");
            }

        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //启动我们客户端
        GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();

        //启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
        new Thread() {
            public void run() {

                while (true) {
                    chatClient.readInfo();
                    try {
                        Thread.currentThread().sleep(3000);
                    }catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();

        //发送数据给服务器端
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        while (scanner.hasNextLine()) {
            String s = scanner.nextLine();
            chatClient.sendInfo(s);
        }
    }
}

3.13 NIO 与零拷贝

3.13.1 零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。
在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么，他们在 OS 里，到底是怎么样的一个的设计？我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝
另外我们看下 NIO 中如何使用零拷贝

传统IO
在这里插入图片描述
DMA: direct memory access 直接内存拷贝(不使用CPU)
传统的IO拷贝流程：

硬件拷贝到内核 DMA copy
内核拷贝到用户 CPU copy
用户拷贝到内核 CPU copy
内核拷贝到协议栈 DMA copy

mmap 优化

mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数
mmap示意图

sendFile 优化

Linux 2.1 版本提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换
示意图和小结

提示：零拷贝从操作系统角度，是没有cpu 拷贝，DMA拷贝还是不可避免的
Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图和小结：

这里其实有一次cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer；但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略

零拷贝的再次理解

我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据）。
零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

mmap 和 sendFile 的区别

mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。 transferTo 方法

3.13.2 NIO 零拷贝案例

public class OldIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Socket socket = new Socket("localhost", 7001);

        String fileName = "protoc-3.6.1-win32.zip";
        InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);

        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());

        byte[] buffer = new byte[4096];
        long readCount;
        long total = 0;

        long startTime = System.currentTimeMillis();

        while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {
            total += readCount;
            dataOutputStream.write(buffer);
        }

        System.out.println("发送总字节数： " + total + ", 耗时： " + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        dataOutputStream.close();
        socket.close();
        inputStream.close();
    }
}
public class OldIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);

        while (true) {
            Socket socket = serverSocket.accept();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());

            try {
                byte[] byteArray = new byte[4096];

                while (true) {
                    int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);

                    if (-1 == readCount) {
                        break;
                    }
                }
            } catch (Exception ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class NewIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
        String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";

        //得到一个文件channel
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();

        //准备发送
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        //在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输
        //在windows 下 一次调用 transferTo 只能发送8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要
        //transferTo 底层使用到零拷贝
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);

        System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        //关闭
        fileChannel.close();
    }
}
//服务器
public class NewIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();

        serverSocket.bind(address);

        //创建buffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);

        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

            int readcount = 0;
            while (-1 != readcount) {
                try {

                    readcount = socketChannel.read(byteBuffer);

                }catch (Exception ex) {
                   // ex.printStackTrace();
                    break;
                }
                //
                byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
            }
        }
    }
}