java之IO/NIO

阻塞IO模型

• 最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。典型的阻塞IO模型的例子为：data = socket.read();如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法。

非阻塞IO模型

• 当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。典型的非阻塞IO模型一般如下：

while(true){
data = socket.read();
if(data!= error){
	处理数据
	break;
}
}

• 但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

多路复用IO模型

• 多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。 另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中，不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。 不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

java IO包

JAVA NIO

• 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。
  

NIO的缓冲区

• 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。

NIO包

Channel

首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。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：

1. FileChannel
2. DatagramChannel
3. SocketChannel
4. ServerSocketChannel
   这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

Buffer

• Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。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。

Selector

• Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的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响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，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，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

NIO案列

服务端

package cn.wy.NIO;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
 * Created by 胡歌的小迷弟 on 2019/11/6 19:14
 */
public class Server {

    public static void main(String[] args) throws  Exception{
            //1. 得到一个ServerSocketChannel对象  老大
            ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();
            //2. 得到一个Selector对象   间谍
            Selector selector= Selector.open();
            //3. 绑定一个端口号
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
            //4. 设置非阻塞方式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            //5. 把ServerSocketChannel对象注册给Selector对象
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            //6. 干活
            while(true){
                //6.1 监控客户端
                if(selector.select(2000)==0){  //nio非阻塞式的优势
                    System.out.println("Server:没有客户端搭理我，我就干点别的事");
                    continue;
                }
                //6.2 得到SelectionKey,判断通道里的事件
                Iterator<SelectionKey> keyIterator=selector.selectedKeys().iterator();
                while(keyIterator.hasNext()){
                    SelectionKey key=keyIterator.next();
                    if(key.isAcceptable()){  //客户端连接请求事件
                        System.out.println("OP_ACCEPT");
                        SocketChannel socketChannel=serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                    }
                    if(key.isReadable()){  //读取客户端数据事件
                        SocketChannel channel=(SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer=(ByteBuffer) key.attachment();
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("客户端发来数据："+new String(buffer.array()));
                    }
                    // 6.3 手动从集合中移除当前key,防止重复处理
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        }
    }

客户端

package cn.wy.NIO;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

/**
 * Created by 胡歌的小迷弟 on 2019/11/6 19:14
 */
public class Clinet {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //得到一个网络通道
        SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();

        //设置非阻塞方式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        //链接服务器
        if(!socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999))){
            while (!socketChannel.finishConnect()){//nio作为非阻塞式的优势
                System.out.println("aaaa");
            }
        }

        //得到一个缓冲区并存入数据
        String msg="hello";
        ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());

        //发送数据
        socketChannel.write(byteBuffer);


        System.in.read();

    }
}