NIO浅析

1、什么是NIO？

在 JDK1.4 之后，为了提高 Java IO 的效率，Java 又提供了一套 New IO（NIO），原因在于它相对于之前的 IO 类库是新增的。此外，旧的 IO 类库提供的 IO 方法是阻塞的，New IO 类库则让 Java 可支持非阻塞 IO，所以，更多的人喜欢称之为非阻塞 IO（Non-blocking IO）

2、为什么要用NIO？

所有的系统 I/O 都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。Java IO 的各种流是阻塞的。这意味着当线程调用 write() 或 read() 时，线程会被阻塞，直到有一些数据可用于读取或数据被完全写入。
传统的阻塞型IO大致有如下几个缺点：

1. 线程不够用, 就算使用了线程池复用线程也无济于事; 
2. 阻塞I/O模式下,会有大量的线程被阻塞,一直在等待数据,这个时候的线程被挂起,只能干等,CPU利用率很低,换句话说,系统的吞吐量差; 
3. 如果网络I/O堵塞或者有网络抖动或者网络故障等,线程的阻塞时间可能很长。整个系统也变的不可靠;

最典型的在实际生产环境中会遇到的，就是socket.read()/socket.accept()的阻塞造成的问题。当一个线程执行 ServerSocket 的accept() 方法时, 假如没有客户连接, 该线程就会一直等到有客户连接才从 accept() 方法返回. 再例如, 当线程执行 Socket 的 read() 方法时, 如果输入流中没有数据, 该线程就会一直等到读入足够的数据才从 read() 方法返回

四种 IO 模型
同步阻塞 IO：
在此种方式下，用户进程在发起一个 IO 操作以后，必须等待 IO 操作的完成，只有当真正完成了 IO 操作以后，用户进程才能运行。 Java 传统的 IO 模型属于此种方式！

同步非阻塞 IO：
在此种方式下，用户进程发起一个 IO 操作以后 便可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问 IO 操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的 CPU 资源浪费。其中目前 Java 的 NIO 就属于同步非阻塞 IO 。

异步阻塞 IO：
此种方式下是指应用发起一个 IO 操作以后，不等待内核 IO 操作的完成，等内核完成 IO 操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问 IO 是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过 select 系统调用来完成的，而 select 函数本身的实现方式是阻塞的，而采用 select 函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

异步非阻塞 IO：
在此种模式下，用户进程只需要发起一个 IO 操作然后立即返回，等 IO 操作真正的完成以后，应用程序会得到 IO 操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的 IO 读写操作，因为 真正的 IO 读取或者写入操作已经由 内核完成了。目前 Java 中还没有支持此种 IO 模型。

3、NIO和BIO对比：

BIO是面向流的，不存在缓存的概念。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。
Java IO的各种流是阻塞的，这意味着当一个线程调用read或 write方法时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入，该线程在此期间不能再干任何事情了。

NIO是面向缓冲区的。这个缓冲区分为“直接缓冲区”和“非直接缓冲区"。
直接缓冲区：由Buffer.allocate(int capacity)创建在jvm内存中的。
非直接缓冲区：由Buffer.allocateDirect(int capacity)创建，在JVM内存外开辟内存，直接缓冲区的性能很高，但是因为他的内存是操作系统分配的，绕过了jvm堆栈的机制，建立和销毁的开销比较大。
NIO是非阻塞的。他可以使得一个线程从某通道发送读取数据的请求时，读取目前可用的数据，如果没有可用数据，就什么都不会获取，而不是保持阻塞，该线程可以做其他的事情。

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。

4、怎么使用NIO？

NIO的核心API：Buffer(缓存)、Channel(通道)、Selector(选择器)
缓存Buffer：
Buffer接口的实现有ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer、ShortBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer。分别对应各自的基本数据类型。还有MappedByteBuffer、HeapByteBuffer、DirectByteBuffer等等。
Buffer的使用步骤一般是：
1、初始化Buffer。
2、写入数据到Buffer。
3、调用Buffer.flip()，把Buffer切换为读模式。
4、从Buffer中读取数据。
5、调用clear()方法或者compact()方法。清空整个缓冲区(clear()方法)，或者清空已经读过的数据(compact())

package study.NIO;

import java.nio.CharBuffer;

public class BufferTest {
    public static void main(String[] args) {
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        System.out.println("|"+buffer.position()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.capacity()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.limit()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.length()+"|");
        buffer.append("abc");
        buffer.put("def");
        System.out.println("---------------");
        System.out.println("|"+buffer.position()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.capacity()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.limit()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.length()+"|");
        buffer.flip();
        System.out.println("---------------");
        System.out.println("|"+buffer.position()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.capacity()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.limit()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.length()+"|");
        buffer.compact();
        System.out.println("---------------");
        System.out.println("|"+buffer.position()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.capacity()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.limit()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.length()+"|");
        buffer.clear();
        System.out.println("---------------");
        System.out.println("|"+buffer.position()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.capacity()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.limit()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.length()+"|");
        System.out.println("|"+buffer.get(1)+"|");

    }
}

结果：

|0|
|8|
|8|
|8|
---------------
|6|
|8|
|8|
|2|
---------------
|0|
|8|
|6|
|6|
---------------
|6|
|8|
|8|
|2|
---------------
|0|
|8|
|8|
|8|
|b|

通过最后一个buffer.get(1)可以看到，执行clear()/compact()，并不是真正的清除，而是把position、limit重新设置一下。这一点可以从源码得到。

    /**
     * Clears this buffer.  The position is set to zero, the limit is set to
     * the capacity, and the mark is discarded.
     *
     * 
 Invoke this method before using a sequence of channel-read or
     * put operations to fill this buffer.  For example:
     *
     * 
     * buf.clear();     // Prepare buffer for reading
     * in.read(buf);    // Read data
     *
     * 
 This method does not actually erase the data in the buffer, but it
     * is named as if it did because it will most often be used in situations
     * in which that might as well be the case. 
     *
     * @return  This buffer
     */
    public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }