NIO基础

NIO基础

1.三大组件

1.1 Channel & Buffer

Channel有一点类似于stream，它就是读写数据的双向通道，可以从channel将数据读入buffer，也可以将buffer的数据写入channel，而之前的stream要么是输入，要么是输出，channel比stream更为底层。

常见的Channel有

• FileChannel：用于文件的数据传输通道
• DatagramChannel：用于UDP时数据传输通道
• SocketChannel：用于TCP时数据传输通道，客户端服务器皆可
• ServerSocketChannel：用于TCP时数据传输通道，服务器

buffer则用于缓冲读写数据，常见的buffer有

• ByteBuffer
  • MappedByteBuffer
  • DirectByteBuffer
  • HeapByteBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• CharBuffer

1.2 Selector

selector单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途

多线程版设计

缺点：

• 内存占用高
• 线程上下文切换成本高
• 只适合连接数少的场景

线程池版设计

缺点：

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个socket连接
• 仅适合短连接场景

selector版设计

selector的作用就是配合一个线程来管理多个channel，获取这些channel上发生的事件，这些channel工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个channel上，适合连接数特别多，但流量低的场景

调用selector的select()会阻塞直到channel发生了读写就绪事件，这些事件发生，select方法就会返回这些事件交给thread来处理

2.ByteBuffer

2.1 ByteBuffer正确使用姿势

1.向buffer写入数据，例如调用channel.read(buffer)
2.调用flip()切换至读模式
3.从buffer读取数据，例如调用buffer.get()
4.调用clear()或compact()切换至写模式
5.重复1~4步骤

代码：

@Slf4j
public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //FileChannel
            FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
            //准备缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            //从FileChannel读取数据，向buffer写入
            while(true){
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读取到的字节数 {}",len);
                if(len == -1){  //没有内容
                    break;
                }
                //打印buffer的内容
                buffer.flip();  //切换至读模式
                while (buffer.hasRemaining()) {  //是否还有剩余未读数据
                    byte b = buffer.get();
                    log.debug("实际字节 {}",(char) b);
                }
                buffer.clear();   //切换为写模式

            }

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

2.2 ByteBuffer结构

ByteBuffer有以下重要属性

• capacity：总容量
• position：读写指针
• limit：读写限制

一开始

写模式下，position是写入位置，limit等于容量，下图表示写入了4个字节后的状态

flip(读)动作发生后，position切换为读取位置，limit切换为读取限制

读取4个字节后，状态

clear(写)动作发生后，状态

compact方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

2.3 ByteBuffer常见方法

分配空间

可以使用allocate或者allocateDirect方法为ByteBuffer分配空间，其他buffer类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16); 
Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(16)

区别：
class java.nio.HeapByteBuffer：java堆内存，读写效率较低，受到GC的影响。
class java.nio.DirectByteBuffer：直接内存，读写效率高（少一次拷贝），不会受到GC影响，分配的效率低。

向buffer写入数据

有两种方法

• 调用channel的read方法
• 调用buffer自己的put方法

int readBytes = channel.read(buf);

和

buf.put((byte)127);

从buffer读取数据

同样有两种方法

• 调用channel的write方法
• 调用buffer自己的get方法

int writeBytes = channel.write(buf);

和

byte b = buf.get();

get方法会让position读指针向后走，如果想重复读取数据

• 可以调用rewind方法将position重新置为0
• 或者调用get(int i)方法获取索引i的内容，它不会移动读指针

rewind：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
buffer.put(new byte[]{'a','b','c','d'});
buffer.flip();
//rewind从头开始读
buffer.get(new byte[4]);
debugAll(buffer);
buffer.rewind();
debugAll(buffer);

结果：

mark & reset：

System.out.println((char) buffer.get());
System.out.println((char) buffer.get());
buffer.mark();   //加标记，索引2的位置
System.out.println((char) buffer.get());
System.out.println((char) buffer.get());
buffer.reset();  //是将position重置到索引2
System.out.println((char) buffer.get());
System.out.println((char) buffer.get());

结果：

get(i)：

System.out.println((char) buffer.get(3));
debugAll(buffer);

结果：

字符串与ByteBuffer互转

代码：

//1.字符串转为ByteBuffer
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
buffer1.put("hello".getBytes());
debugAll(buffer1);

//2.Charset
ByteBuffer buffer2 = Charset.forName("UTF-8").encode("hello");
debugAll(buffer2);

//3.wrap
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
debugAll(buffer3);

//4.转为字符串
String str1 = Charset.forName("UTF-8").decode(buffer2).toString();
System.out.println(str1);

buffer1.flip();
String str2 = Charset.forName("UTF-8").decode(buffer1).toString();
System.out.println(str2);

结果：

2.4 Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件words.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个buffer

try {
      FileChannel channel = new RandomAccessFile("words.txt", "r").getChannel();
      ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);
      ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);
      ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);
      channel.read(new ByteBuffer[]{b1,b2,b3});
      b1.flip();
      b2.flip();
      b3.flip();
      debugAll(b1);
      debugAll(b2);
      debugAll(b3);
	} catch (IOException e) {
     	 e.printStackTrace();
	}

结果：

2.5 Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个buffer中的数据写入到一个文件

ByteBuffer b1 = Charset.forName("UTF-8").encode("hello");
ByteBuffer b2 = Charset.forName("UTF-8").encode("world");
ByteBuffer b3 = Charset.forName("UTF-8").encode("您好");
try {
    FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel();
    channel.write(new ByteBuffer[]{b1,b2,b3});
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

写入后的文件内容：

2.6 练习

题目：网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用\n进行分割，但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为
Hello,world\n
I’m zhangsan\n
How are you?\n
变成了下面的两个byteBuffer（黏包，半包）
Hello,world\nI’m zhangsan\nHo
w are you?\n
现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按\n分割的数据

public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
        source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
        split(source);
        source.put("w are you?\n".getBytes());
        split(source);
}
private static void split(ByteBuffer source){
    source.flip();
    for(int i=0;i<source.limit();i++){
        //找到一条完整消息
        if(source.get(i)=='\n'){
            int len = i + 1 - source.position();
            //把这条完整信息存入新的ByteBuffer
            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(len);
            for(int j = 0; j < len; j++){
                target.put(source.get());
            }
            debugAll(target);
        }
    }
    source.compact();
}

3.文件编程

3.1 FileChannel

注意

FileChannel只能工作在阻塞模式下

获取

不能直接打开FileChannel，必须通过FileInputStream、FileOutputStream或者RandomAccessFile来获取FileChannel，它们都有getChannel方法

• 通过FileInputStream获取的channel只能读
• 通过FileOutputStream获取的channel只能写
• 通过RandomAccessFile是否能读写根据构造RandomAccessFile时的读写模式决定

读取

会从channel读取数据填充ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1表示到达了文件的末尾

int readBytes = channel.read(buffer);

写入

写入的正确姿势如下，

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...);
buffer.flip();  //切换读模式

while(buffer.hasRemaining()){
	channel.write(buffer);
}

在while中调用channel.write是因为write方法并不能保证一次将buffer中的内容全部写入channel

关闭

channel必须关闭，不过调用了FileInputStream、FileOuputStream或者RandomAccessFile的close方法会间接地调用channel的close方法

位置

获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

long newPos = ...;
channel.position(newPos);

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

• 这时读取会返回-1
• 这时写入，会追加内容，但要注意如果position超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）

大小

使用size方法获取文件的大小

强制写入

操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用force(true)方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘。

3.2 两个Channel传输数据

try {
      FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
      FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
      //效率高，底层会利用操作系统的零拷贝优化，2g数据
      long size = from.size();
      for (long left = size;left >0;) {
          left -= from.transferTo(size-left,left,to);
      }
      from.close();
      to.close();
     } catch (IOException e) {
       e.printStackTrace();
     }

3.3 Path

jdk7引入了Path和Paths类

• Path用来表示文件路径
• Paths是工具类，用来获取Path实例

Path source = Paths.get("1.txt");     //相对路径，使用user.dir环境变量来定位1.txt
Path source = Paths.get("d://1.txt");   //绝对路径，代表了d:\1.txt
Path source = Paths.get("d:/1.txt");   //绝对路径，代表了d:\1.txt
Path source = Paths.get("d://data","projects");   //代表了d:\data\projects

• .代表了当前路径
• . .代表了上一级路径

代码

Path path  = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
System.out.println(path);
System.out.println(path.normalize);  //正常化路径

会输出

d:\data\projects\a\..\b
d:\data\projects\b

3.4 Files

检查文件是否存在

Path path = Paths.get("to.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建一级目录

Path path = Paths.get("d1");
Files.createDirectory(path);

• 如果目录已存在，会抛出FileAlreadExistsException
• 不能一次创建多级目录，否则会抛异常NoSuchFileException

创建多级目录

Path path = Paths.get("d1/d2");
Files.createDirectories(path);

拷贝文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target= Paths.get("helloword/target.txt");
Files.copy(source,target);

• 如果文件已存在，会抛出FileAlreadExistsException

如果希望用source覆盖掉target，需要用StandardCopyOption来控制

Files.copy(source,target,StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

移动文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target= Paths.get("helloword/target.txt");
Files.move(source,target,StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

• StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE保证文件移动的原子性

删除文件

Path target= Paths.get("helloword/target.txt");
Files.delete(target);

• 如果文件不存在，会抛异常NoSuchFileException

删除目录

Path target= Paths.get("helloword/d1");
Files.delete(target);

• 如果目录还有内容，会抛异常DirectoryNotEmptyException

walkfiletree-遍历

代码：

AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();   //不能使用int变量，匿名内部类必须使用final修饰的变量，否则会产生二义性
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_201"),new SimpleFileVisitor<Path>(){
   //访问文件夹前
   @Override
   public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
       System.out.println("===>"+dir);
       dirCount.getAndIncrement();
       return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
   }
   //访问文件夹后
   @Override
   public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
       return super.postVisitDirectory(dir, exc);
   }

   //访问文件
   @Override
   public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
       System.out.println(file);
       fileCount.getAndIncrement();
       return super.visitFile(file, attrs);
   }
   //访问文件失败
   @Override
   public FileVisitResult visitFileFailed(Path file, IOException exc) throws IOException {
       return super.visitFileFailed(file, exc);
   }
});
System.out.println("文件夹的个数："+dirCount);
System.out.println("文件的个数："+fileCount);

结果（部分）：

walkfiletree-删除多级目录

代码：

Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_201"),new SimpleFileVisitor<Path>(){
   //访问文件夹前
   @Override
   public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
       return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
   }
   //访问文件夹后
   @Override
   public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
   	   Files.delete(dir);
       return super.postVisitDirectory(dir, exc);
   }

   //访问文件
   @Override
   public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
       Files.delete(file);
       return super.visitFile(file, attrs);
   }
   //访问文件失败
   @Override
   public FileVisitResult visitFileFailed(Path file, IOException exc) throws IOException {
       return super.visitFileFailed(file, exc);
   }
});

walk-拷贝多级目录

代码：

String source = "C:\\Users\\19088\\Desktop\\spring-security-master";
String target = "C:\\Users\\19088\\Desktop\\spring-security-master11";
Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
    try {
        String targetName = path.toString().replace(source,target);
        //是目录
        if(Files.isDirectory(path)){
            Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
        }
        //是文件
        if(Files.isRegularFile(path)){
            Files.copy(path,Paths.get(targetName));
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});

4.网络编程

4.1 非阻塞 VS 阻塞

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read会在没有数据可读时让线程暂停
  • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用cpu，但线程相当于闲置
• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
• 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
  • 32位jvm一个线程320k，64位jvm一个线程1024k，如果连接数过多，必然导致OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
  • 可以使用线程池技术来减少线程数和上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接。

服务器端：

//使用nio来理解阻塞模式,单线程
//0.ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1.创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
//2.绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
//3.连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while(true){
    //4.accpet建立与客户端连接，SocketChannel用来与客户端通信
    log.debug("connecting...");
    SocketChannel sc = ssc.accept(); //阻塞方法，线程停止运行
    log.debug("connected... {}",sc);
    channels.add(sc);
    for (SocketChannel channel: channels) {
        //5.接收客户端发送的数据
        log.debug("before read... {}",channel);
        channel.read(buffer); //阻塞方法，线程停止运行
        buffer.flip();
        debugRead(buffer);
        buffer.clear();
        log.debug("after read... {}",channel);
    }
}

客户端：

SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
System.out.println("waiting...");

非阻塞

• 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
  • 在ServerSocketChannel.accept在没有连接建立时，会返回null，继续运行
  • SocketChannel.read在没有数据可读时，会返回0，但线程不必阻塞，可以去执行其他SocketChannel的read或是去执行ServerSocketChannel.accept
  • 写数据时，线程只是等待数据写入Channel即可，无需等Channel通过网络把数据发送出去
• 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了cpu
• 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO改进的地方）

服务器端，客户端代码不变

//使用nio来理解非阻塞模式,单线程
//0.ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1.创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);   //非阻塞模式
//2.绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
//3.连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while(true){
    //4.accpet建立与客户端连接，SocketChannel用来与客户端通信
    SocketChannel sc = ssc.accept(); //非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null
    if(sc != null) {
        log.debug("connected... {}", sc);
        sc.configureBlocking(false);  //非阻塞方法
        channels.add(sc);
    }
    for (SocketChannel channel: channels) {
        //5.接收客户端发送的数据
        int read = channel.read(buffer); //非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read返回0
        if(read > 0) {
            buffer.flip();
            debugRead(buffer);
            buffer.clear();
            log.debug("after read... {}", channel);
        }
    }
}

多路复用

单线程可以配合Selector完成对多个Channel可读写事件的监控，这称之为多路复用

• 多路复用仅针对网络IO、普通文件IO没法利用多路复用
• 如果不用Selector的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而Selector能够保证
  • 有可连接事件时才去连接
  • 有可读事件才去读取
  • 有可写事件才去写入
    • 限于网络传输能力，Channel未必时时可写，一旦Channel可写，会触发Selector的可写事件

4.2 Selector

selector 版

selector

thread

channel

channel

channel

好处

• 一个线程配合selector就可以监控多个channel事件，事件发生线程才会去处理。避免非阻塞模式下做无用功
• 让这个线程能够充分利用
• 节约了线程的数量
• 减少了线程上下文切换

创建

Selector selector = Selector.open();

绑定Channel事件

也称之为注册事件，绑定的事件selector才会关心

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector,绑定事件);

• channel必须工作在非阻塞模式
• FileChannel没有非阻塞模式，因此不能配合selector一起使用
• 绑定的事件类型可以有
  • connect -客户端连接成功时触发
  • accept -服务器端成功接受连接时触发
  • read -数据可读入时触发，又因为接受能力弱，数据暂不能读入的情况
  • write -数据可写出时触发，又因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

监听Channel事件

可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少channel发生了事件

方法1，阻塞直到绑定事件发生

int count = selector.select();

方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为ms）

int count = selector.select(long timeout);

方法3，不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件

int count = selector.selectNow();

select何时不阻塞

• 事件发生时
  • 客户端发起连接请求，会触发accept事件
  • 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发read事件，另外如果发送的数据大于buffer缓冲区，会触发多次读取事件
  • channel可写，会触发write事件
  • 在linux下nio bug发生时
• 调用selector.wakeup()
• 调用selector.close()
• selector所在线程interrupt

4.3 处理accept事件

客户端代码为

SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
System.out.println("waiting...");

在dubug模式开启即可

服务器端代码为

@Slf4j
public class ChannelDemo6 {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
            channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
            System.out.println(channel);
            Selector selector = Selector.open();
            channel.configureBlocking(false);
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while (true) {
                int count = selector.select();
                log.debug("select count: {}", count);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                // 遍历所有事件，逐一处理
                Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    // 判断事件类型
                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        // 必须处理
                        SocketChannel sc = c.accept();
                        log.debug("{}", sc);
                    }
                    // 处理完毕，必须将事件移除
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为nio底层使用的是水平触发

4.4 处理read事件

@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建selector，管理多个channel
        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);

        //2.建立selector和channel的联系（注册）
        //SelectionKey就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        //key只关注accept事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("register key:{}",sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        while(true){
            //3.select方法，没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行
            //select在事件未处理时，它不会阻塞，事件发生后要么处理，要么取消（key.cancel），不能置之不理
            selector.select();
            //4.处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();  //accept，read
            while(iter.hasNext()){
                SelectionKey key = iter.next();
                //处理key的时候，要从selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题
                iter.remove();
                log.debug("key:{}",key);
                //5.区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) {    //如果是accept
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, null);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}",sc);
                }else if(key.isReadable()){   //如果是read
                    try {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
                        int read = channel.read(buffer);  //如果是正常断开，read的方法的返回值是-1
                        if(read == -1){
                            key.cancel();
                        }else{
                            buffer.flip();
                            //debugRead(buffer);
                            System.out.println(Charset.forName("UTF-8").decode(buffer));
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        key.cancel();   //因为客户端断开了，因此需要将key取消（从selector的keys集合中真正删除key）

                    }
                }

            }

        }
    }
}

开启两个客户端，修改一下发送文字，输出

为何要iter.remove()

因为select在事件发生后，就会将相关的key放入selectedKeys集合，但不会在处理完后从selectedKeys集合中移除，需要我们自己编码删除，例如

• 第一次触发了ssckey上的accept事件，没有移除ssckey
• 第二次触发了sckey上的read事件，但这时selectedKeys中还有上次的ssckey，在处理时因为没有真正的serverSocket连上了，就会导致空指针异常

cancel的作用

cancel会取消注册在selector上的channel，并从iter集合中删除key后续不会在监听事件

不处理边界问题

服务器端代码

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            Socket s = ss.accept();
            InputStream in = s.getInputStream();
            // 这里这么写，有没有问题
            byte[] arr = new byte[4];
            while(true) {
                int read = in.read(arr);
                // 这里这么写，有没有问题
                if(read == -1) {
                    break;
                }
                System.out.println(new String(arr, 0, read));
            }
        }
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket max = new Socket("localhost", 9000);
        OutputStream out = max.getOutputStream();
        out.write("hello".getBytes());
        out.write("world".getBytes());
        out.write("你好".getBytes());
        max.close();
    }
}

输出

hell
owor
ld�
�好

处理消息的边界

• 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
• TLV格式，即Type类型、Length长度、Value数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配适合的buffer，缺点是buffer需要提前分配，如果内容过大，则影响server吞度量
  • Http 1.1是TLV格式
  • Http 2.0是LTV格式

扩容（以分隔符拆分为例）：

客户端1 服务器 ByteBuffer1 ByteBuffer2 发送 01234567890abcdef3333\r 第一次 read 存入 01234567890abcdef 扩容 拷贝 01234567890abcdef 第二次 read 存入 3333\r 01234567890abcdef3333\r 客户端1 服务器 ByteBuffer1 ByteBuffer2

服务器端代码

@Slf4j
public class Server {
    private static void split(ByteBuffer source){
        source.flip();
        for(int i=0;i<source.limit();i++){
            //找到一条完整消息
            if(source.get(i)=='\n'){
                int len = i + 1 - source.position();
                //把这条完整信息存入新的ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(len);
                for(int j = 0; j < len; j++){
                    target.put(source.get());
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        source.compact();
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建selector，管理多个channel
        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);

        //2.建立selector和channel的联系（注册）
        //SelectionKey就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        //key只关注accept事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("register key:{}",sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        while(true){
            //3.select方法，没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行
            //select在事件未处理时，它不会阻塞，事件发生后要么处理，要么取消（key.cancel），不能置之不理
            selector.select();
            //4.处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();  //accept，read
            while(iter.hasNext()){
                SelectionKey key = iter.next();
                //处理key的时候，要从selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题
                iter.remove();
                log.debug("key:{}",key);
                //5.区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) {    //如果是accept
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    //将一个bytebuffer作为附件关联到selectorKey上
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                    SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, buffer);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}",sc);
                }else if(key.isReadable()){   //如果是read
                    try {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        //获取selectionKey上关联的附件
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        int read = channel.read(buffer);  //如果是正常断开，read的方法的返回值是-1
                        if(read == -1){
                            key.cancel();
                        }else{
                           split(buffer);
                           if(buffer.position() == buffer.limit()){
                               ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                               buffer.flip();
                               newBuffer.put(buffer);
                               key.attach(newBuffer);
                           }
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        key.cancel();   //因为客户端断开了，因此需要将key取消（从selector的keys集合中真正删除key）

                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
        System.in.read();
    }
}

ByteBuffer大小分配

• 每个channel都需要记录可能被切分的消息，因为ByteBuffer不能被多个channel共同使用，因此需要为每个channel维护一个独立的ByteBuffer
• ByteBuffer不能太大，比如一个ByteBuffer 1Mb的话，要支持百万连接就要1Tb内存，因此需要设计大小可变的ByteBuffer
  • 一种思路是首先分配一个较小的buffer，例如4k，如果发现数据不够，再分配8k的buffer，将4k buffer内容拷贝至8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
  • 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗

4.5 处理write事件

一次无法写完例子

• 非阻塞模式下，无法保证把buffer中所有的数据都写入channel，因此需要追踪write方法的返回值（代表实际写入字节数）
• 用selector监听所有channel的可写事件，每个channel都需要一个key来跟踪buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
  • 当消息处理器第一次写入消息时，才将channel注册到selector上
  • selector检查channel上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消channel的注册
  • 如果不取消，每次可写均会触发write事件

服务器端代码

public class WriteServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while(true){
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey sckey = sc.register(selector,0,null);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    //1.向客户端发送大量数据
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
                        sb.append("a");
                    }
                    ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
                    //2.返回值代表实际写入的字节数
                    int write = sc.write(buffer);
                    System.out.println(write);

                    //3.判断是否还有剩余内容
                    if(buffer.hasRemaining()){
                        //4.关注可写事件
                        sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                        //5.把未写完的数据挂到sckey上
                        sckey.attach(buffer);
                    }
                }else if(key.isWritable()){
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                    int write = sc.write(buffer);
                    System.out.println(write);
                    //6.清理操作
                    if(!buffer.hasRemaining()){
                        key.attach(null);   //需要清除buffer
                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);   //不需关注可写事件
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户机端代码

public class WriteClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        //3.接收数据
        int count = 0;
        while(true){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
            count += sc.read(buffer);
            System.out.println(count);
            buffer.clear();
        }
    }
}

write为何要取消

只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注

4.6 更进一步

利用多线程优化

现在都是多核cpu，设计时要充分考虑别让cpu的力量被白白浪费
前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核cpu，如何改进呢？
分两组选择器

• 单线程配一个选择器，专门处理accept事件
• 创建cpu核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理read事件

服务器端代码

@Slf4j
public class MultiThreadServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread.currentThread().setName("boss");
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        //1.创建固定数量的worker，并初始化
        Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new Worker("worker-" + i);
        }
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();
        while (true) {
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
                    //2.关联selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
                    //round robin 轮询
                    workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);
                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean start = false; //还未初始化
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        //初始化线程和selector
        public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
            if (!start) {
                selector = Selector.open();
                thread = new Thread(this, name);
                thread.start();
                start = true;
            }
            //向队列添加了任务，但这个任务并没有立刻执行  boss
            queue.add(() -> {
                try {
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
                } catch (ClosedChannelException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            selector.wakeup();  //唤醒select方法
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select();  //worker-0 阻塞 wakeup
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run();    //执行了sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null);
                    }
                    Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        iter.remove();
                        if (key.isReadable()) {
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }
    }
}

客户端代码

public class TestClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("1234567890abcef"));
        System.in.read();
    }
}

如何拿到cpu个数

• Runtime.getRuntime().availableProcessors()如果工作在docker下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理cpu个数，而不是容器申请时的个数
• 这个问题知道jdk 10才修复，使用jvm参数UseContainerSupport配置，默认开启

4.7 UDP

• UDP 是无连接的，client 发送数据不会管 server 是否开启
• server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer，但如果数据报文超过 buffer 大小，多出来的数据会被默默抛弃

首先启动服务器端

public class UdpServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
            System.out.println("waiting...");
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
            channel.receive(buffer);
            buffer.flip();
            debug(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出

waiting...

运行客户端

public class UdpClient {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
            channel.send(buffer, address);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

接下来服务器端输出

5.NIO vs BIO

5.1 stream vs channel

• stream不会自动缓冲数据，channel会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
• stream仅支持阻塞API，channel同时支持阻塞、非阻塞API，网络channel可配合selector实现多路复用
• 二者均为全双工，即读写可以同时进行

5.2 IO模型

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞

• 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其他线程送结果（至少两个线程）

当调用一次channel.read或stream.read后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段
• 复制数据阶段
  
• 阻塞IO
  
• 非阻塞IO
  
• 多路复用
  
• 信号驱动
• 异步IO
  
• 阻塞IO vs 多路复用
  
  

5.3 零拷贝

传统IO问题

传统的IO将一个文件通过socket写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);
Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部的工作流程是这样的：

1.java本身并不具备IO读写能力，因此read方法调用后，要从java程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，期间也不会使用cpu

DMA也可以理解为硬件单元，用来解放cpu完成文件IO

2.从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即byte []buf），这期间cpu会参与拷贝，无法利用DMA
3.调用write方法，这时数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入socket缓冲区，cpu会参与拷贝
4.接下来要向网卡写数据，这项能力java又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu
可以看到中间环节较多，java的IO实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的赋值，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了3次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共4次

NIO优化

通过DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer使用的还是java内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
  
  大部分步骤与优化前相同，不在赘述。唯有一点：java可以使用DirectByteBuf将堆外内存映射到jvm内存中来直接使用
• 这块内存不受jvm垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于IO读写
• java中的DirectByteBuf对象又维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuf对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化（底层采用了linux 2.1后提供的sendFile方法），java中对应着两个channel调用transferTo/transferFrom方法拷贝数据

1.java调用transferTo方法后，要从java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用cpu
2.数据从内核缓冲区传输到socket缓冲区，cpu会参与拷贝
3.最后使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu

可以看到

• 只发生了一次用户态和内核态的切换
• 数据拷贝了3次

进一步优化（linux 2.4）

1.java调用transferTo方法后，要从java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用cpu
2.只会将一些offset和length信息拷入socket缓冲区，几乎无消耗
3.使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu

整个过程仅只发生了一次用户态和内核态的切换，数据拷贝了2次。所谓的【零拷贝】，并不是真正的无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到jvm内存中，零拷贝的优点有

• 更少的用户态和内核态的切换
• 不利用cpu计算，减少cpu缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

文件AIO

先来看看AsynchronousFileChannel

@Slf4j
public class AioFileChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ)) {
            //参数1 ByteBuffer
            //参数2 读取的起始位置
            //参数3 附件
            //参数4 回调对象
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            log.debug("read begin...");
            channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                @Override  //read 成功
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read completed...{}",result);
                    attachment.flip();
                    debugAll(attachment);
                }

                @Override  //read 失败
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
            log.debug("read end...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.in.read();
    }
}

输出

可以看到

• 响应文件读取成功的是另外一个线程Thread-8
• 主线程并没有IO操作阻塞

守护线程

默认文件AIO使用的线程都是守护线程，所以最后要执行System.in.read()以避免守护线程意外结束，守护线程在主线程结束时也会立即结束。

网络AIO

public class AioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
        System.in.read();
    }

    private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
        try {
            System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            sc.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            try {
                if (result == -1) {
                    closeChannel(sc);
                    return;
                }
                System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
                attachment.flip();
                System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
                attachment.clear();
                // 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件
                sc.read(attachment, attachment, this);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            closeChannel(sc);
            exc.printStackTrace();
        }
    }

    private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            // 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容
            if (attachment.hasRemaining()) {
                sc.write(attachment);
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            exc.printStackTrace();
            closeChannel(sc);
        }
    }

    private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
        private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;

        public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
            this.ssc = ssc;
        }

        @Override
        public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
            try {
                System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            // 读事件由 ReadHandler 处理
            sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
            // 写事件由 WriteHandler 处理
            sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
            // 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件
            ssc.accept(null, this);
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
            exc.printStackTrace();
        }
    }
}