Java - NIO

NIO 简介

JDK1.4中引入了新的Java I/O类，在package java.nio.*中，目的是提高速度。
NIO一开始是"New Input/Output"的缩写。不过，已经过了那么长时间了，已经不再"New"了。目前，普遍认可的观念是，NIO是"No-Blocking Input/Output"的缩写。

NIO的核心是什么？
Channel, Buffer, Selector组成了NIO的核心API。

三者的协作关系是：
Channel如同煤矿，存储着资源(在程序中就是数据)
Buffer如同运煤的卡车(即缓存)
Selector如同一个调度中心

怎么理解三者关系？
我们假设挖出来的煤最小运输单位是“框”，NIO出现之前的IO是每挖出一“框”煤，就运输一次。很显然，这样很耗费资源，效率很低。NIO的做法是每挖出一“框”煤，先放到卡车(即Buffer)中，卡车满了才统一运送一次，这样效率就提高了。

一般情况下，会有很多煤矿在同时挖煤。在主干道(线程)只有一个的情况下，我们不希望某个煤矿在不需要运输的时候占用主干道(阻塞的IO会一直占用线程，即主干道)。这时，需要所有的煤矿(Channel)都到Selector处注册。Selector会挨个询问所有的煤矿(Channel)，有没有煤要运输，如果有，则允许使用主干道运输。

可见，Channel总是跟Buffer打交道。要read的数据从Buffer中读取，要write的数据先写入到Buffer中。而Selector则监控着所有的Channel。

image.png

Channel

简介

NIO中的所有IO操作要从Channel开始。Channel有点像BIO中的Stream(即“流”)，但是又有点区别：

Stream是单向的，只能读或者只能写。Channel是双向的。
Stream是阻塞的，Channel可以是阻塞的，也可以是非阻塞的。
Stream中的数据可以选择性的读入到Buffer中，但是Channel中的数据必须先读入到Buffer中。

Channel接口只有两个方法

public interface Channel extends Closeable {
    //Channel是否打开
    public boolean isOpen();
    //关闭Channel
    public void close() throws IOException;
}

常见Channel

FileChannel - 文件IO
DatagramChannel - UDP
ServerSocketChannel - TCP Server
SocketChannel - TCP Client

实际上，Channel大致可以分为两类：

负责文件读写的FileChannel
负责网络读写的SelectableChannel

SelectableChannel的常见实现类有：

DatagramChannel
ServerSocketChannel
SocketChannel

其中DatagramChannel用来进行UDP通信，ServerSocketChannel和SocketChannel分别用在TCP通信的Server端和Client端。

FileChannel
FileChannel的继承关系：

image.png

FileChannel的底层实现参见深入浅出NIO Channel和Buffer

FileChannel的典型用法示例：

//打开一个文件
FileOutputStream aFile = new FileOutputStream("data/nio-data.txt", "rw");
//获取FileChannel
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
//读取数据到ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);


//开始写入数据
//准备数据
String newData = "New String to write to file";
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();

//向文件中写入数据
while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

//关闭FileCHannel
channel.close();

FileChannel的其他使用详情请参见Java NIO系列教程（七） FileChannel

ServerSocketChannel
首先看类ServerSocketChannel中的成员：

image.png

从中可以发现，ServerSocketChannel并没有read和write方法。也就是说ServerSocketChannel不负责数据读写。
accept()方法返回一个SocketChannel类型，根据经验我们猜测，SocketChannel类才是真正负责数据读写的类。这个我们会在后面验证。

ServerSocketChannel的继承关系：

image.png

ServerSocketChannel的创建是通过静态方法open()：

ServerSocketChannel srvChannel = ServerSocketChannel.open();

SocketChannel
类成员：

image.png

可以看出，SocketChannel中有read和write方法，很显然，能够执行数据的读写操作。

通过分析其继承关系(如下图)发现，

image.png

SocketChannel实现了ReadableByteChannel接口和WritableByteChannel接口。从名称上就能看出，这两个接口分别负责数据的读和写。因此，SocketChannel会负责数据从网络中读取和写入到网络中的功能。

SocketChannel的创建是通过静态方法open()：

SocketChannel srvChannel = SocketChannel.open();

DatagramChannel

image.png

DatagramChannel典型使用示例

int port = 8080;
//打开channel
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
//绑定本地地址
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));

//准备接收数据到ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
channel.receive(buf);

//准备发送数据
String newData = "New String to write to file";
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
//发送数据
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

关于connect，由于UDP是无连接的，连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel，让其只能从特定地址收发数据。

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

Buffer

简介

Buffer是NIO和BIO的一个重要区别。
BIO是面向Stream的，可以将数据直接写入或者读出到Stream中
NIO是面向Buffer的，所有数据的读取都需要经过Buffer。

《Thinking in Java》中是这么描述的：

我们可以将NIO想象成一个煤矿，Channel是包含煤(即数据)的库矿藏，Buffer则是运送矿藏的卡车。我们并没有直接和Channel打交道，我们只是和Buffer交互，并把Buffer派送到Channel。

Buffer本质上是一个数组。很显然，它不可能仅仅是个数组，还提供了对数据的结构化访问，以及维护读写位置信息。这些额外的功能是通过Buffer中的几个变量来辅助实现的：

capacity：缓存数组大小
position：初始值为0。position表示当前可以写入或读取数据的位置。当写入或读取一个数据后， position向前移动到下一个位置。
limit：
- 写模式下，limit表示最多能往Buffer里写多少数据，等于capacity值。
- 读模式下，limit表示最多可以读取多少数据。
mark：初始值为-1，用于备份当前的position

Buffer上述部分成员移动示意图如下：

image.png

原理

Buffer是个抽象类，只定义了数据缓存的部分功能和接口，并不负责实际的数据存储。实际数据存储在其派生类中实现：

image.png

数据在不同的派生类中是怎么存储的？
经过源码得知，每个派生类中都有一个数组，数组类型与派生类对应。如ByteBuffer中有byte[] hb;数组，CharBuffer中有char[] hb;数组，DoubleBuffer中有double[] hb数组。

public abstract class ByteBuffer extends Buffer implements Comparable{
    final byte[] hb;                  // Non-null only for heap buffers
}

public abstract class CharBuffer extends Buffer{
    final char[] hb;                  // Non-null only for heap buffers
}

使用

如何读数据？
对于只读操作，必须显示地使用静态allocate()方法来分配ByteBuffer。
代码示例：

//sc是SocketChannel的一个实例
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readBytes = sc.read(buffer);
buffer.flip();

注意：调用完成read()方法后，须要调用Buffer的flip()方法。这是为何？
刚才有讲Buffer中的position变量会在read()调用的时候向下移动。但是write或者复制数据的时候，选取的数据是position和limit之间的数据。这时就需要将position赋值给limit，同时position重置为0。flip()方法就是做这件事的：

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

如何写数据？
写数据时，首先需要通过Buffer派生类中的put()方法放入数据。
代码示例：

String response = "Hello World";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put(response.getBytes());
buffer.flip();
channel.write(buffer);

注意：这里调用put()方法后也须调用flip()方法，原理同上。

clear()方法
clear()方法能对缓冲区中的内部指针重排，从而复用Buffer。需要复用时，须调用。

public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

get()方法
get()方法存在于部分派生类中，如ByteBuffer。目的是数据的复制。

//sc是SocketChannel的一个实例
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readBytes = sc.read(buffer);
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte(buffer.remaining());
//将数据复制到bytes中
buffer.get(bytes);

Selector

简介

Selector是NIO的核心。

我们知道，在阻塞IO中，等待数据的时间相对于实际数据操作的时间是非常非常长的。如下图所示：

image.png

阻塞IO中，大部分时间没有被利用起来，白白占用着线程宝贵的资源。Selector的思想就是去除这些无用的等待。

Java Selector借鉴了Linux中的select/poll/epoll模型。其特点如下图所示：

image.png

Selector维护了一个数组，数组中元素是跟Channel对应的封装类型SelectionKey。使用时，需要不断遍历数组，如果其中某个或者某几个Key有数据读写的需求，会在遍历的时候被检测到，然后进行实际的数据读写操作。这样一来，等待数据的时间就被去除了。

使用

创建Selector
Selector通过静态函数open()创建，JDK注释为：

Opens a selector.
The new selector is created by invoking the SelectorProvider.provider().openSelector() method

代码示例：

Selector selector = Selector.open();

遍历Selector
Selector遍历代码示例：

Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectionKeys.iterator();
while(it.hasNext()){
    SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();
    或
    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
}

Channel加入到Selector的数组中？
ServerSocketChannel和SocketChannel中有register()函数，可注册到Selector的数组中：

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops);

Selector sel: Selector的一个对象
int ops: 可取值有：

OP_READ: 表示当有数据要读时，激活Channel
OP_WRITE: 表示当有数据要写时，激活Channel
OP_CONNECT: 表示连接到了Server时，激活Channel
OP_ACCEPT: 表示有Client请求连接时，激活Channel

代码示例：

SocketChannel sc = (ServerSocketChannel)serverSocketChannel.accept();
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

select/poll还是epoll

linux操作系统方面多路复用技术有三种常用的机制：select、poll和epoll。
三者的介绍在这里select/poll/epoll...

epoll无轮询，使用callback机制，比select/poll的效率要高。但是使用时，究竟是使用的epoll还是select/poll？这个是跟操作系统相关的。

一般来说，select有最大fd限制，默认1024，很小被使用。常用的是poll和epoll，因此我们可暂不考虑select。

究竟使用poll还是epoll，是由sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider类中的create()函数定义的。

Java NIO根据操作系统不同，针对nio中的Selector有不同的实现
所以毋须特别指定， Oracle jdk会自动选择合适的Selector。
如果想设置特定的Selector，可以属性：

-Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.EPollSelectorProvider

Linux
Linux 在2.6之后才支持epoll。在create()函数中，检测了Linux内核的版本，只有不小于2.6的时候才使用epoll，即EPollSelectorProvider，否则使用poll，即PollSelectorProvider或DevPollSelectorProvider

public static SelectorProvider create() {
    String osname = AccessController.doPrivileged(
        new GetPropertyAction("os.name"));
    if ("SunOS".equals(osname)) {
        return new sun.nio.ch.DevPollSelectorProvider();
    }

    // use EPollSelectorProvider for Linux kernels >= 2.6
    if ("Linux".equals(osname)) {
        String osversion = AccessController.doPrivileged(
            new GetPropertyAction("os.version"));
        String[] vers = osversion.split("\\.", 0);
        if (vers.length >= 2) {
            try {
                int major = Integer.parseInt(vers[0]);
                int minor = Integer.parseInt(vers[1]);
                if (major > 2 || (major == 2 && minor >= 6)) {
                    return new sun.nio.ch.EPollSelectorProvider();
                }
            } catch (NumberFormatException x) {
                // format not recognized
            }
        }
    }

    return new sun.nio.ch.PollSelectorProvider();
}

MAC
MAC中epoll是使用其替代品kqueue，即KQueueSelectorProvider

public static SelectorProvider create() {
   return new KQueueSelectorProvider();
}

Windows
Windows不支持epoll，因此只能使用poll

NIO编程示例

Server端示例

Server端序列图(出自《Netty权威指南》)

image.png

Selector selector = Selector.open();
//创建服务端接收Channel
ServerSocketChannel servChannel = ServerSocketChannel.open();
//设置成非阻塞的
servChannel.configureBlocking(false);
int port = 8080;
//绑定地址
servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);

//将servChannel注册到selector
servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCETP);

while(true){
    selector.select(1000);
    Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator it = selectionKeys.iterator();
    SelectionKey = key = null;
    while(it.hasNext()){
        key = it.next();

        if(key.isValid()){
            //如果服务端接收Channel就绪，则开始accept请求
            if(key.isAcceptable()){
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                //将新加入的channel注册到selector
                sc.registrer(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            //如果数据channel可读
            if(key.isReadable()){
                //开始读
                SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);//将数据读取到缓冲区readBuffer。
                if(readBytes > 0){
                    readBuffer.flip();
                }
            }
        }
    }
}

Client端示例

Client端序列图(出自《Netty权威指南》)

image.png

SocketChannel client = SocketChannel.open();
client.connet(new InetSocketAddress(host, port));
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//Write data  -- 略

Selector selector = Selector.open();
while(true){
    selector.select();
    //遍历selector -- 同Server，略
}

NIO框架

大多数情况下，不建议直接使用JDK NIO类库，而是使用一些已有的NIO框架。

为什么不使用原生的NIO编程？

NIO类库API繁多，都需要熟练掌握
需要其他额外的技能，如多线程技术
需要解决各种可靠性问题，如断线重连、半包读写、网络拥塞等
JDK NIO bug。如epoll bug，会导致Selector空轮训，导致CPU 100%。

常见NIO框架

Netty
Vert.x
Xnio
Grizzly
Apache Mina

NIO框架不少，Netty是其中的佼佼者！Netty在工程中被广泛应用，其中包含大型公司如Apple，Facebook，Google，Instagram等。Netty介绍请见Netty...

引申
NIO编程困难
epoll bug
网络可靠性问题

TCP半包/粘包问题

参考

深入浅出NIO Channel和Buffer
Java NIO系列教程（七） FileChannel
《Netty权威指南》
《Netty实战》
《Java编程思想》

Java - NIO

NIO 简介

Channel

简介

常见Channel

Buffer

简介

原理

使用

Selector

简介

使用

select/poll还是epoll

NIO编程示例

Server端示例

Client端示例

NIO框架

参考

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