教你如何学习Java NIO

上一篇文章介绍了Java的传统I/O，也就是BIO（Blocking IO）。这篇文章介绍一下NIO（Non-Block）的基本知识点，以及为什么NIO在高并发以及大文件的处理方面更有优势。

本地文件I/O操作——NIO小试牛刀

Channel和Buffer

BIO里操作的是InputStream和OutputStream，在NIO中操作的则是Channel和Buffer。我们可以把Channel想象成矿藏，把Buffer想象成运矿的车。如果想移动数据，必须借助Buffer，这是移动数据的唯一方式。也就是说Buffer跟Channel必定形影不离。

NIO中用的最多的三种Channel，分别是
FileChannel，SocketChannel，以及ServerSocketChannel。
FileChannel是用来操作本地文件的，而另外两个则是进行网络I/O操作的。

FileChannel
这里通过将文件test-io.tmp里面的内容移动到文件test-io.md中，让大家感受一下如何使用Channel和Buffer进行文件I/O操作。

示例: NIO方式操作本地文件。

//通过FileInputstream拿到输入FileChannel。
 FileChannel in = new FileInputStream("test-io.tmp").getChannel();
 //通过FileOutPutStream拿到输出FileChannel
FileChannel out = new FileOutputStream("test-io.md").getChannel();
//创建一个字节缓冲器，用于运送数据。
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        while (in.read(buffer) != -1){
            //相当于缓冲器的开关，只有调用该方法，缓冲器里面的数据才能被写入到输出Channel.
            buffer.flip();
            out.write(buffer);
            buffer.clear();
        }

上面的代码很轻松的实现了，将文件test-io.tmp中的内容移动到test-io.md中。

代码解读

通过FileInputStream对象的getChannel方法拿到了Channel。

通过ByteBuffer的allocate方法（也可以是allocateDirecty方法）声明一个缓冲器，容量是1024字节，用于传输数据。

将数据源channel里面的数据通过read方法读取到缓冲器。
通过out.write()方法，将缓冲器里面的数据写入到输出Channel。最后清空缓冲器，为下次读取数据做准备。

注意：将缓冲区里面的数据写入到输出channel前一定要调用 buffer的flip（）方法。你可以把该方法的作用理解成，打开Buffer的阀门。只有打开阀门数据才能被取出。

ByteBuffer

ByteBuffer是Buffer的一个子类。还有很多其它子类，比如CharBuffer, DoubleBuffer等，ByteBuffer是用的最多的缓冲器。

我们可以把ByteBuffer想象成一个字节数组。大概是这个样子。

上图是刚刚初始化的示意图，position表示游标，每读取一个字节，position就移动一个位置。

ByteBuffer有几个比较重要的方法，如下

allocate(): 创建一个缓冲器，例如ByteBuffer.allocate(1024)。
allocateDirect(): 创建一个与操作系统底层更耦合的缓冲器。
capacity(): 返回缓冲区数组的容量。
position(): 下一个要操作的元素位置。
limit(): 返回limit的值。
flip()：打开缓冲器的阀门，做好被读取的准备。
put()：将字节存储进缓冲器。例如 byteBuffer.put("hello".getBytes("utf-8"));
wrap()：将字节数组存储进缓冲器。例如 ByteBuffer.wrap("hello".getBytest())
rewind()：将position设置为0。
clear()：清空缓冲区。
hasRemaining() 若介于position和limit之间有值，则返回true。

零拷贝

上面的例子还有另外一种实现，看代码。

public class ChannelTransfer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileChannel in = new FileInputStream("test-io.tmp").getChannel();
        FileChannel out = new FileOutputStream("test-io.md").getChannel();
        in.transferTo(0,in.size(),out);
        //或者
        //out.transferFrom(in,0,in.size());
    }
}

直接将输入端和输出端进行对接，不经过操作系统的内核态。这就是大名鼎鼎的零拷贝技术的运用。Kafka的性能之所以那么生猛，很大一部分原因是运用了零拷贝技术。

超大内存文件读取

所谓超大文件就是，要操作的文件比你系统的可用内存还大，此时可以使用NIO提供的类库方法进行如下操作。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream("test-io.tmp").getChannel();
        //通过map()方法产生一个缓冲器.
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fileChannel.size());

        if (mappedByteBuffer != null){
            CharBuffer charBuffer = Charset.forName("utf-8").decode(mappedByteBuffer);
            System.out.println(charBuffer.toString());
        }
    }

注意map()函数有三个参数，分别表示读写模式，初始位置以及映射长度。因为我的测试文件很小，所以就全部映射了。如果源文件较大(100G)可以每次映射500M或1G，根据机器性能不同找到一个最优值。

FileChannel的知识点基本就这些了,相信通过上面的介绍，各位对NIO的Channel和Buffer已经有了一个基本的认识。

网络I/O——NIO大显身手。

我们一直在说NIO是非阻塞I/O，但是上面介绍的FileChanel并不能设置成非阻塞模式，你说搞笑不。FileChannel相比于传统的（BIO）来说，最大的优势在于大文件的处理，以及零拷贝等技术的运用和处理。如果你问我这些技术的底层实现原理是什么，其实我也不知道，只知道FileChannel提供的很多方法，以一种更迎合操作系统的方式来工作。所谓马屁拍的好，升职加薪来的早。

如果各位真想深究底层原理，建议先去了解操作系统的知识，然后再去扒JDK的源码。

真正支持非阻塞操作的是ServerSocketChannel和SocketChannel。也只有在进行网络I/O的时候，非阻塞I/O的优势才能被最大程度的发挥出来。

如果想了解各种I/O的详细内容可以看我这篇文章。

需求提出

假设我们要实现一个简单的服务端程序，唯一的功能是接收客户端发过来的请求，然后将请求内容转换为大写之后在发回给客户端。

BIO实现方式

当客户端发送一个请求的时候，服务端则创建一个线程进行处理。当客户端同时发送100个请求的时候，服务端就创建100个线程进行处理。这看起来还不错，但如果请求数量有几千或者更高的时候，那么服务端可能就会有点儿吃不消了。

原因如下：

线程的创建和销毁很占用系统资源，即便有线程池技术，也不能从根本上解决问题，而且在Linux里面线程就是轻量级进程
线程不可以无限制的创建下去，Java里面每个线程要占用512K-1M的内存空间。
线程间的不断切换很消耗系统资源，因为要保留上下文等内容。

BIO是个实在孩子。

BIO选择多线程的方式也是无奈之选。因为Socket.write和Socket.read都是阻塞的。所谓的阻塞的意思就是一旦线程开始执行socket.read操作了，那么就需要等这个读操作执行完成。如果这个时候没有数据可以读，那么就需要等待，等到有数为止。这是BIO的天然属性，没有办法，简直太实在了。所以如果想充分的利用CPU，就得多创建几个线程，一个线程没有数据，另外一个总有吧，这就叫东方不亮西方亮。

来一段简简单单的伪代码，大家稍微感受一下吧。

//整个线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8888));
//循环监听等待新连接到来
while(true) {
    Socket socket = serverSocket.accept();
    //为新的连接创建新的线程
    executor.submit(new Task(socket));
}
class Task implements Runnable {
    private Socket socket;
    public Task(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (!socket.isClosed()) {
            //读数据，阻塞
            String someThing = socket.read();
            if (someThing != null) {
                //处理数据,返回客户端，阻塞
                socket.write();
            }
        }
    }
}

NIO是个聪明孩子。

BIO的问题出在了阻塞的读和写上面。因为阻塞I/O太实在，没有数据就死等数据，造成CPU没有被充分利用的尴尬局面。相比于BIO，NIO就聪明多，因为它根本就不会等，而是有数据的时候，你通知我一下，我派CPU去取。到哪儿就取，取完就走，一点儿不废话，速度那叫一个快。以CPU的（智商）运算速度，一个人管理几千个通道根本不是事儿。这就是Reactor编程模型，也叫基于事件编程。

既然是基于事件编程，那么NIO里面比较重要的几个事件分别是，Read，Write，Accept，Connect。

在NIO编程模型中，每个客户端跟服务端建立的连接都是一个Channel，这些Channel一旦有数据了，就会通知CPU去对应的通道取数。所以根本不会像BIO那样，发生线程死等数据的情况。这也就是CPU利用高的原因。

NIO的网络编程模型有点儿类似于孙悟空的悬丝诊脉。

使用NIO进行网络编程

上面提到了，NIO网络编程是基于事件编程，那么就得有人负责事件的监听。这个工作由Select完成。当有感兴趣的事情发生，Select就会第一时间知道。

SelectionKey也是一个相当重要的角色，相当于Select和Channel沟通的桥梁。因为Select不光要知道有感兴趣的事情发生了，还要知道哪个Channel发生了什么事件。

NIO网络编程里面的主角就给大家都介绍完了，分别是选择器Selector，通道 ServerSocketChannel和SocketChanel，以及在上面提到的缓冲器ByteBuffer，还有SelectionKey。

下面给大家简单演绎一下，如何用NIO的方式，实现上文中提到的那个服务端程序。先看代码吧。

public class EchoNioServer {

    public static final int BUF_SIZE = 1024;

    public static void main(String[] args) {

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);

        try {
            Selector selector = Selector.open();

            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));

            System.out.println("正在8888端口监听...");
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, byteBuffer);

            while (true) {
                selector.select();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();

                    if (!key.isValid()) {
                        continue;
                    }

                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel1.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, byteBuffer);

                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer readBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        readBuffer.clear();
                        socketChannel.read(readBuffer);
                        readBuffer.flip();
                        System.out.println("received from client: " + new String(readBuffer.array()).trim());
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, readBuffer);

                    } else if (key.isWritable()) {
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer writeBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        String msg = new String(writeBuffer.array()).trim().toUpperCase();
                        writeBuffer.clear();
                        writeBuffer.put(msg.getBytes("utf-8"));
                        writeBuffer.flip();
                        socketChannel.write(writeBuffer);
                        writeBuffer.clear();
                        socketChannel.close();
                    }
                }
            }

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

代码解读
帮大家做个简单的解读。方便大家理解。

先创建一个选择器及缓冲器备用，一个用于监听感兴趣的事件，一个用于运送数据。
Selector select = Selector.open();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
创建一个ServerSocketChannel ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
设置为非阻塞模式（必须设置为非阻塞，不然你还是什么NIO）
ssc.configureBlocking(false)
绑定端口
ssc.bind(8888)
将通道注册到选择器，并告诉选择器，我对哪些些事件感兴趣。当事件到来就调用相应的逻辑进行处理。
sss.register(select,SelectionKey.Accept)
调用select.selct()方法，找出可用的通道，这个方法是阻塞的，所以放到while（true）也不会造成CPU空转。
针对不同的事件做不同的处理。

与上面服务端代码配套的客户端代码，我就不做过多解释了。

public class EchoNioClient {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.submit(new Task());
        }
        executor.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    InetSocketAddress remoteAddress = new InetSocketAddress(8888);
    static final int BUF_SIZE = 1024;
    @Override
    public void run() {
        try {
            String msg = "hello I'm " + Thread.currentThread().getName();
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(remoteAddress);
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(BUF_SIZE);
            byteBuffer.clear();
            byteBuffer.put(msg.getBytes("utf-8"));
            byteBuffer.flip();
            socketChannel.write(byteBuffer);
            byteBuffer.clear();
            ByteBuffer receiveBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (socketChannel.read(receiveBuffer) != -1) {
                receiveBuffer.flip();
                System.out.println("received from server: " + new String(receiveBuffer.array()).trim());
                receiveBuffer.clear();
            }
            socketChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}