解锁网络编程之NIO的前世今生

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NIO 内容概览：

•     NIO 网络编程模型
•     NIO 网络编程详解
•     NIO 网络编程实战
•     NIO 网络编程缺陷

一、NIO网络编程模型

1、编程模型定义

NIO :  又叫Non-blocking I/O或New I/O;全新的输入输出标准库；

          做为原始I/O的补充，为了高性能和高并发的场景使用。

模型：对事物共性的抽象；

编程模型：对编程共性的抽象；

2、BIO网络模型

       

•  服务端启动，开始建立监听客户端的连接请求；
• 客户端启动，向服务器端发起建立连接请求；
• 服务器在收到客户端的请求后，将会创建一个新的线程；
• 服务端新创建的线程会与客户端建立socket连接，用于响应客户端的请求，通知客户端连接建立成功，你随时可以给我发送数据。
• 服务器端处理完客户端的请求之后，就会处于等待状态，等待客户端再次发起请求

       

服务端为每一个客户端建一个线程，一旦客户端请求过多，服务端线程数量也会增多，服务端压力增大。

3、BIO网络模型缺点

• 阻塞式I/O模型，会导致服务器端的业务线程会因阻塞IO的问题一直阻塞等待客户端发起请求，如果客户端不发起请求，服务端的业务线程会一直存在，就会耗费大量系统资源

• 弹性伸缩能力差：服务器端的线程数与客户端的个数呈1比1的关系

• 多线程耗资源 ： 每一个线程都会对CPU的调度资源进行占用，一旦占用而不释放，则会导致资源的紧缺、甚至系统服务的异常宕机

4、NIO网络模型猜想

基于非阻塞 I/O ， 设计应对高并发场景编程模型

图解分析：NIO架构中，客户端的个数与服务器端的线程数呈M:1的关系

5、NIO 网络模型

第一步：注册连接并提供服务：Selector 中初始化注册并建立连接事件，提供给Client建立连接的服务；client通过Selector连接与AcceptorHandler 发送创建客户端的连接，并又AcceptorHandler方法返回响应结果；同时该AcceptorHandler方法向Selector中注册可读事件（Client连接客户端成功后）

第二步：提供服务：client 发送请求，Selector中对注册状态及客户端可读性验证，正常情况下，已通过第一步，所以直接连接到处理器进行读写操作，根据需求执行业务逻辑，并响应给客户；

第三步：客户端连接可读，在向client响应客户端请求后，注册连接可读事件到Selector 中，所注册的是具体执行业务的Handler

6、NIO网络模型优化

1. 非阻塞IO模型，服务器端提供一个单线程的selector来统一管理所有客户端接入的连接，并负责监听每个连接所关心的事件

2. 弹性伸缩能力加强，服务器端一个线程处理所有客户端的连接请求，客户端的个数与服务器端的线程数呈M比1的关系

3. 单线程节省资源,避免了线程的频繁创建和销毁，同时也避免了多个线程之间上下文的切换，提高了执行效率

二、NIO网络编程详解

NIO核心

• Channel：通道
• Buffer ： 缓冲区
• Selector : 选择器 或 多路复用器

1、NIO核心类之Channel

Channel 具有双向性、非阻塞性、操作唯一性。

channel是信息传输的通道，是jdk NIO中对输入输出方法的另一种抽象，类比IO中的流，与流不同之处在于，channel具有双向性，而流是单向传输的，一个流必须是InputStream或OutputStream的子类，而通道可以用于读写或二者同时进行。channel可以工作在非阻塞模式下，构成NIO的基础。在NIO中，操作channel的唯一方式是使用buffer，通过buffer操作channel，实现数据块的传输。

channel的实现：

1. 文件类：FileChannel，用于对文件的读写
2. UDP类：DatagramChannel， 用于UDP的数据读写
3. TCP类：ServerSocketChannel/SocketChannel，用于TCP的数据读写

Socket的使用：

Channel的使用：

2、NIO核心类之Buffer

Buffer：缓冲区，它提供唯一与channel进行交互的方式，作用是读写channel中的数据。Buffer从本质上说是一块内存区域，它是一块可以写入数据，读取数据的内存。

Buffer的属性

Capacity：分配的buffer容量，一旦写入的最大字节数超过这个容量，需要将其清空之后，才能继续往里面写数据

Position：当前操作的位置，初始值为0，最大值：容量值-1

Limit：上限，写模式下等于Capacity，读模式下等于最多能读取的数据

Mark：标记，记录mark的位置，调用reset方法时position会回到mark的位置

Buffer的使用：

  /*
   * 初始化长度为10的byte类型 buffer
   */
  ByteBuffer.allocate(10);

 

  /*
   * 向byteBuffer中写入三个字节
   */
  byteBuffer.put("abc".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));

  /*
   * 将byteBuffer从写模式切换成读模式
   */
  byteBuffer.flip():

  /*
   * 将b先调用get方法读取下一个字节
   * 再调用reset方法将position重置到mark位置
   */
  byteBuffer.get():
  byteBuffer.reset();

  /*
   * 调用clear方法，将所有属性重置
   */
  byteBuffer.clear();

3、NIO核心类之Selector

Selector 选择器/多路复用器

作用：I/O就绪选择

地位：NIO网络编程的基础

SelectionKey 选择键

四种就绪状态常量：连接就绪、接受就绪、读就绪、写就绪

Selector的使用：

最重要的应该就是代码片段3： 在这一步对就绪事件进行监听，如果一直不通过，就一直阻塞等待，直到有就绪事件发生，并注册通过检测有效，方才放行

4、NIO编程实现步骤

第一步：创建Selector

第二步：创建ServerSocketChannel，并绑定监听端口

第三步：将Channel设置为非阻塞模式

第四步：将Channel注册到Selector上，监听连接事件

第五步：循环调用Selector的select方法，检测就绪情况

第六步：调用selectedKeys方法获取就绪channel集合

第七步：判断就绪事件种类，调用业务处理方法

第八步：根据业务需要决定是否再次注册监听事件，重复执行第三步操作

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