Netty之一网络编程基础原理

个人专题目录

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1. 网络编程基础原理

1 网络编程（Socket）概念

首先注意，Socket不是Java中独有的概念，而是一个语言无关标准。任何可以实现网络编程的编程语言都有Socket。

1.1 什么是Socket

网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个socket。

建立网络通信连接至少要一个端口号。socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口；HTTP是轿车，提供了封装或者显示数据的具体形式；Socket是发动机，提供了网络通信的能力。

Socket的英文原义是“孔”或“插座”。作为BSD UNIX的进程通信机制，取后一种意思。通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket正如其英文原义那样，像一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。 客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。

1.2 Socket连接步骤

根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。【如果包含数据交互+断开连接，那么一共是五个步骤】

（1）服务器监听：是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。

（2）客户端请求：是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

（3）连接确认：是指当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

socket.png

1.3 Java中的Socket

在java.net包是网络编程的基础类库。其中ServerSocket和Socket是网络编程的基础类型。ServerSocket是服务端应用类型。Socket是建立连接的类型。当连接建立成功后，服务器和客户端都会有一个Socket对象示例，可以通过这个Socket对象示例，完成会话的所有操作。

对于一个完整的网络连接来说，Socket是平等的，没有服务器客户端分级情况。

2 什么是同步和异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。

以银行取款为例：

同步 ： 自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步IO时，Java自己处理IO读写）；

异步 ： 委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS需要支持异步IO操作API）；

3 什么是阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入方法会立即返回一个状态值。

以银行取款为例：

阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；

非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

4 BIO编程

Blocking IO： 同步阻塞的编程方式。

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BIO编程方式通常是在JDK1.4版本之前常用的编程方式。编程实现过程为：首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求，客户端启动Socket发起网络请求，默认情况下ServerSocket回建立一个线程来处理此请求，如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝。

且建立好的连接，在通讯过程中，是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下：

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同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

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BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

BIO JAVA应用示例

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //线程池机制
        //思路
        //1. 创建一个线程池
        //2. 如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
        ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

        //创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了");

        while (true) {

            System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
            //监听，等待客户端连接
            System.out.println("等待连接....");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");

            //就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
            newCachedThreadPool.execute(() -> {
                //可以和客户端通讯
                handler(socket);
            });
        }
    }

    /**
     * 编写一个handler方法，和客户端通讯
     */
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            //通过socket 获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();

            //循环的读取客户端发送的数据
            while (true) {

                System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());

                System.out.println("read....");
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    //输出客户端发送的数据
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));
                } else {
                    break;
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");
            try {
                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

问题分析：

• 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据Read，业务处理，数据Write 。
• 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
• 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在Read 操作上，造成线程资源浪费

5 NIO编程

Unblocking IO（New IO）： 同步非阻塞的编程方式。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题，NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

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NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个通道，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程复杂，JDK1.4开始支持。

Buffer:ByteBuffer,CharBuffer,ShortBuffer,IntBuffer,LongBuffer,FloatBuffer,DoubleBuffer。

Channel:SocketChannel,ServerSocketChannel。

Selector:Selector,AbstractSelector

SelectionKey:OP_READ,OP_WRITE,OP_CONNECT,OP_ACCEPT

NIO 是面向缓冲区，或者面向块编程的。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，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络

通俗理解：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。

HTTP2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1 大了好几个数量级

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缓冲区Buffer

public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {

        //举例说明Buffer 的使用 (简单说明)
        //创建一个Buffer, 大小为 5, 即可以存放5个int
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);

        //向buffer 存放数据
//        intBuffer.put(10);
//        intBuffer.put(11);
//        intBuffer.put(12);
//        intBuffer.put(13);
//        intBuffer.put(14);
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
            intBuffer.put(i * 2);
        }

        //如何从buffer读取数据
        //将buffer转换，读写切换(!!!)
        /*
        public final Buffer flip() {
        limit = position; //读数据不能超过5
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }
         */
        intBuffer.flip();
        //1,2
        intBuffer.position(1);
        System.out.println(intBuffer.get());
        intBuffer.limit(3);
        while (intBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(intBuffer.get());
        }
    }
}

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对
象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。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。

在NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类

常用Buffer子类一览

• ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区

• ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区

• CharBuffer，存储字符数据到缓冲区

• IntBuffer，存储整数数据到缓冲区

• LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区

• DoubleBuffer，存储小数到缓冲区

• FloatBuffer，存储小数到缓冲区

Buffer 类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息:

属性	描述
Capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变
Limit	表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的
Position	位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变改值，为下次读写作准备
Mark	标记

Buffer类相关方法一览

public abstract class Buffer {
    //JDK1.4时，引入的api
    public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量
    public final int position( )//返回此缓冲区的位置
    public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置
    public final int limit( )//返回此缓冲区的限制
    public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制
    public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记
    public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
    public final Buffer clear( )//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态，但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
    public final Buffer flip( )//反转此缓冲区
    public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区
    public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数
    public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素
    public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
 
    //JDK1.6时引入的api
    public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
    public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组
    public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
    public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
}

ByteBuffer

对于 Java 中的基本数据类型(boolean除外)，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下

public abstract class ByteBuffer {
    //缓冲区创建相关api
    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)//创建直接缓冲区
    public static ByteBuffer allocate(int capacity)//设置缓冲区的初始容量
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array)//把一个数组放到缓冲区中使用
    //构造初始化位置offset和上界length的缓冲区
    public static ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset, int length)
     //缓存区存取相关API
    public abstract byte get( );//从当前位置position上get，get之后，position会自动+1
    public abstract byte get (int index);//从绝对位置get
    public abstract ByteBuffer put (byte b);//从当前位置上添加，put之后，position会自动+1
    public abstract ByteBuffer put (int index, byte b);//从绝对位置上put
 }

通道(Channel)

1. NIO的通道类似于流，但有些区别如下：

• 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写

• 通道可以实现异步读写数据

• 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:

2. BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。

3. Channel在NIO中是一个接口
   public interface Channel extends Closeable{}

4. 常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

5. FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

FileChannel 类

FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

应用实例1-本地文件写数据

public class NioFileChannel01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        String str = "hello,硅谷";
        //创建一个输出流->channel
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\file01.txt");

        //通过 fileOutputStream 获取 对应的 FileChannel
        //这个 fileChannel 真实 类型是  FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();

        //创建一个缓冲区 ByteBuffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        //将 str 放入 byteBuffer
        byteBuffer.put(str.getBytes());


        //对byteBuffer 进行flip
        byteBuffer.flip();

        //将byteBuffer 数据写入到 fileChannel
        fileChannel.write(byteBuffer);
        fileOutputStream.close();

    }
}

应用实例2-本地文件读数据

public class NioFileChannel02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建文件的输入流
        File file = new File("d:\\file01.txt");
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);

        //通过fileInputStream 获取对应的FileChannel -> 实际类型  FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

        //创建缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());

        //将 通道的数据读入到Buffer
        fileChannel.read(byteBuffer);

        //将byteBuffer 的 字节数据 转成String
        System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
        fileInputStream.close();

    }
}

应用实例3-使用一个Buffer 完成文件读取、写入

public class NioFileChannel03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
        FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();

        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
        FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);

        while (true) {

            //这里有一个重要的操作，一定不要忘了
            /*
             public final Buffer clear() {
                position = 0;
                limit = capacity;
                mark = -1;
                return this;
            }
             */
            byteBuffer.clear(); //清空buffer
            int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
            System.out.println("read =" + read);
            //表示读完
            if (read == -1) {
                break;
            }
            //将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txt
            byteBuffer.flip();
            fileChannel02.write(byteBuffer);
        }

        //关闭相关的流
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }
}

应用实例4-拷贝文件transferFrom 方法

public class NioFileChannel04 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建相关流
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg");
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg");

        //获取各个流对应的filechannel
        FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
        FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();

        //使用transferForm完成拷贝
        destCh.transferFrom(sourceCh, 0, sourceCh.size());
        //关闭相关通道和流
        sourceCh.close();
        destCh.close();
        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }
}

关于Buffer 和 Channel的注意事项和细节

1. ByteBuffer 支持类型化的put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。[举例说明]

public class NioByteBufferPutGet {
    public static void main(String[] args) {

        //创建一个Buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        //类型化方式放入数据
        buffer.putInt(100);
        buffer.putLong(9);
        buffer.putChar('尚');
        buffer.putShort((short) 4);

        //取出
        buffer.flip();

        System.out.println();

        System.out.println(buffer.getInt());
        System.out.println(buffer.getLong());
        System.out.println(buffer.getChar());
        System.out.println(buffer.getShort());
    }
}

2. 可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer [举例说明]

public class ReadOnlyBuffer {
    public static void main(String[] args) {

        //创建一个buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            buffer.put((byte) i);
        }

        //读取
        buffer.flip();

        //得到一个只读的Buffer
        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

        //读取
        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(readOnlyBuffer.get());
        }

        //ReadOnlyBufferException
        readOnlyBuffer.put((byte) 100);
    }
}

3. NIO 还提供了 MappedByteBuffer， 可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改， 而如何同步到文件由NIO 来完成. [举例说明]

/**
 * 说明
 * 1. MappedByteBuffer 可让文件直接在内存(堆外内存)修改, 操作系统不需要拷贝一次
 *
 * @author Administrator
 */
public class MappedByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        //获取对应的通道
        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();

        /*
         * 参数1: FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式
         * 参数2： 0 ： 可以直接修改的起始位置
         * 参数3:  5: 是映射到内存的大小(不是索引位置) ,即将 1.txt 的多少个字节映射到内存
         * 可以直接修改的范围就是 0-5
         * 实际类型 DirectByteBuffer
         */
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
        mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9');
        //IndexOutOfBoundsException
        mappedByteBuffer.put(5, (byte) 'Y');

        randomAccessFile.close();
        System.out.println("修改成功~~");


    }
}

4. 前面我们讲的读写操作，都是通过一个Buffer 完成的，NIO 还支持 通过多个Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering 【举例说明】

/**
 * Scattering：将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入  [分散]
 * Gathering: 从buffer读取数据时，可以采用buffer数组，依次读
 *
 * @author Administrator
 */
public class ScatteringAndGatheringTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 网络

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);

        //绑定端口到socket ，并启动
        serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

        //创建buffer数组
        ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
        byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
        byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);

        //等客户端连接(telnet)
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        //假定从客户端接收8个字节
        int messageLength = 8;
        //循环的读取
        while (true) {

            int byteRead = 0;

            while (byteRead < messageLength) {
                long l = socketChannel.read(byteBuffers);
                //累计读取的字节数
                byteRead += l;
                System.out.println("byteRead=" + byteRead);
                //使用流打印, 看看当前的这个buffer的position 和 limit
                Arrays.stream(byteBuffers).map(buffer -> "postion=" + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out::println);
            }

            //将所有的buffer进行flip
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(Buffer::flip);

            //将数据读出显示到客户端
            long byteWirte = 0;
            while (byteWirte < messageLength) {
                long l = socketChannel.write(byteBuffers);
                byteWirte += l;
            }

            //将所有的buffer 进行clear
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(Buffer::clear);

            System.out.println("byteRead:=" + byteRead + " byteWrite=" + byteWirte + ", messagelength" + messageLength);
        }

    }
}

Selector(选择器)

1. Java 的NIO，用非阻塞的IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)
2. Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel 以事件的方式可以注册到同一个
   Selector)，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处理。这样就可以只用一个单线程去管
   理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
3. 只有在连接/通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，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
4. 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

Selector 类相关方法

Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:

public abstract class Selector implements Closeable { 
public static Selector open();//得到一个选择器对象
public int select(long timeout);//监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将
对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间
public Set selectedKeys();//从内部集合中得到所有的 SelectionKey  
}

注意事项

1. NIO 中的ServerSocketChannel 功能类似ServerSocket，SocketChannel 功能类似Socket
2. selector 相关方法说明

selector.select()//阻塞
selector.select(1000);//阻塞1000 毫秒，在1000 毫秒后返回
selector.wakeup();//唤醒selector
selector.selectNow();//不阻塞，立马返还

NIO 非阻塞网络编程原理分析

1. 当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel 得到SocketChannel
2. Selector 进行监听select 方法, 返回有事件发生的通道的个数
3. 将socketChannel 注册到Selector 上, register(Selector sel, int ops), 一个selector 上可以注册多个SocketChannel
4. 注册后返回一个SelectionKey, 会和该Selector 关联(集合)
5. 进一步得到各个SelectionKey (有事件发生)
6. 在通过SelectionKey 反向获取SocketChannel , 方法channel()
7. 可以通过得到的channel , 完成业务处理

NIO Server时序
1、获取ServerSocketChannel
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();//new ServerSocket();
2、绑定一个端口
address = new InetSocketAddress( this.port );
server.socket().bind( address );
3、得到一个Selector
selector = Selector.open();
4、将两者进行一个绑定 register
server.register( selector, SelectionKey.OP_ACCEPT );
5、selector不断进行轮询监听  listen  客户端的连接select 单线程 this.selector.select();
6、从selector中获取key  对应的Socket连接 进行accept、read、write操作

NIO 非阻塞网络编程快速入门

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建ServerSocketChannel -> ServerSocket

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //得到一个Selecor对象
        Selector selector = Selector.open();

        //绑定一个端口6666, 在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        //设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size());


        //循环等待客户端连接
        while (true) {

            //这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回
            //没有事件发生
            if (selector.select(1000) == 0) {
                System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");
                continue;
            }

            //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
            //1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件
            //2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
            //   通过 selectionKeys 反向获取通道
            Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
            System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());

            //遍历 Set, 使用迭代器遍历
            Iterator keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                //获取到SelectionKey
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                //根据key 对应的通道发生的事件做相应处理
                //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
                if (key.isAcceptable()) {
                    //该该客户端生成一个 SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
                    //将  SocketChannel 设置为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel
                    //关联一个Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                    //2,3,4..
                    System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size());


                }
                //发生 OP_READ
                if (key.isReadable()) {

                    //通过key 反向获取到对应channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

                    //获取到该channel关联的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));

                }

                //手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
                keyIterator.remove();

            }

        }

    }
}

public class NioClient {
    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
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //提供服务器端的ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        //连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {

            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");
            }
        }

        //...如果连接成功，就发送数据
        String str = "hello, 硅谷~";
        //Wraps a byte array into a buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();

    }
}

SelectionKey

1. SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系, 共四种:

int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16
int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8
int OP_READ：代表读操作，值为 1 
int OP_WRITE：代表写操作，值为 4
源码中：
public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

SelectionKey 相关方法

public abstract class SelectionKey {
 public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象
 public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道
 public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据
 public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件
 public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept
 public final boolean isReadable();//是否可以读
 public final boolean isWritable();//是否可以写
}

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端Socket 连接

1. 相关方法如下

public abstract class ServerSocketChannel   extends AbstractSelectableChannel�    implements NetworkChannel{
public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道
public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号
public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件
}

SocketChannel

1. SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。

2. 相关方法如下

public abstract class SocketChannel  extends AbstractSelectableChannel   implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{
public static SocketChannel open();//得到一个 SocketChannel 通道
public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block);//设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
public boolean connect(SocketAddress remote);//连接服务器
public boolean finishConnect();//如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作
public int write(ByteBuffer src);//往通道里写数据
public int read(ByteBuffer dst);//从通道里读数据
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注册一个选择器并设置监听事件，最后一个参数可以设置共享数据
public final void close();//关闭通道

NIO 网络编程应用实例-群聊系统

public class GroupChatServer {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel listenChannel;
    private static final int PORT = 6667;

    public GroupChatServer() {

        try {

            //得到选择器
            selector = Selector.open();
            //ServerSocketChannel
            listenChannel = ServerSocketChannel.open();
            //绑定端口
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            //设置非阻塞模式
            listenChannel.configureBlocking(false);
            //将该listenChannel 注册到selector
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

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

    }

    public void listen() {

        System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
        try {

            //循环处理
            while (true) {

                int count = selector.select();
                //有事件处理
                if (count > 0) {

                    //遍历得到selectionKey 集合
                    Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        //取出selectionkey
                        SelectionKey key = iterator.next();

                        //监听到accept
                        if (key.isAcceptable()) {
                            SocketChannel sc = listenChannel.accept();
                            sc.configureBlocking(false);
                            //将该 sc 注册到seletor
                            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                            //提示
                            System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");

                        }
                        //通道发送read事件，即通道是可读的状态
                        if (key.isReadable()) {
                            //处理读 (专门写方法..)

                            readData(key);

                        }
                        //当前的key 删除，防止重复处理
                        iterator.remove();
                    }

                } else {
                    System.out.println("等待....");
                }
            }

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

        } finally {
            //发生异常处理....

        }
    }

    /**
     * 读取客户端消息
     *
     * @param key
     */
    private void readData(SelectionKey key) {

        //取到关联的channle
        SocketChannel channel = null;

        try {
            //得到channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            //创建buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int count = channel.read(buffer);
            //根据count的值做处理
            if (count > 0) {
                //把缓存区的数据转成字符串
                String msg = new String(buffer.array());
                //输出该消息
                System.out.println("form 客户端: " + msg);

                //向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
                sendInfoToOtherClients(msg, channel);
            }

        } catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
                //取消注册
                key.cancel();
                //关闭通道
                channel.close();
            } catch (IOException e2) {
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 转发消息给其它客户(通道)
     *
     * @param msg
     * @param self
     * @throws IOException
     */
    private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self) throws IOException {

        System.out.println("服务器转发消息中...");
        System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
        //遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
        for (SelectionKey key : selector.keys()) {

            //通过 key  取出对应的 SocketChannel
            Channel targetChannel = key.channel();

            //排除自己
            if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {

                //转型
                SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
                //将msg 存储到buffer
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                //将buffer 的数据写入 通道
                dest.write(buffer);
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        //创建服务器对象
        GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
        groupChatServer.listen();
    }
}

class MyHandler {
    public void readData() {

    }

    public void sendInfoToOtherClients() {

    }
}

public class GroupChatClient {

    private final String HOST = "127.0.0.1";
    private final int PORT = 6667;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;

    public GroupChatClient() throws IOException {

        selector = Selector.open();
        //连接服务器
        socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //将channel 注册到selector
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        //得到username
        username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
        System.out.println(username + " is ok...");

    }

    /**
     * 向服务器发送消息
     */
    public void sendInfo(String info) {

        info = username + " 说：" + info;

        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 读取从服务器端回复的消息
     */
    public void readInfo() {

        try {

            int readChannels = selector.select();
            if (readChannels > 0) {

                Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {

                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if (key.isReadable()) {
                        //得到相关的通道
                        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                        //得到一个Buffer
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        //读取
                        sc.read(buffer);
                        //把读到的缓冲区的数据转成字符串
                        String msg = new String(buffer.array());
                        System.out.println(msg.trim());
                    }
                }
                //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
                iterator.remove();
            }

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

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //启动我们客户端
        GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();

        //启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
        new Thread(() -> {

            while (true) {
                chatClient.readInfo();
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        //发送数据给服务器端
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        while (scanner.hasNextLine()) {
            String s = scanner.nextLine();
            chatClient.sendInfo(s);
        }
    }

}

6 AIO编程

Asynchronous IO： 异步非阻塞的编程方式,AIO 引入异步通道的概念，采用了Proactor 模式，简化了程序编写，有效
的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较
多且连接时间较长的应用

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

AsynchronousSocketChannel

AsynchronousServerSocketChannel

AsynchronousFileChannel

AsynchronousDatagramChannel

异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

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