（一）NIO 基础

（一）NIO 基础

non-blocking io：非阻塞 IO

1、三大组件

1.1、Channel & Buffer

Java NIO系统的核心在于：通道（Channel）和缓冲（Buffer）。通道表示打开到 IO 设备（例如：文件、套接字）的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之，通道负责传输，缓冲区负责存储

常见的 Channel 有以下四种，其中 FileChannel 主要用于文件传输，其余三种用于网络通信：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

Buffer 有以下几种，其中使用较多的是 ByteBuffer：

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

1.2、Selector

在使用 Selector 之前，处理 socket 连接有以下两种方法：

1、使用多线程技术**：**为每个连接分别开辟一个线程，分别去处理对应的 socke 连接

这种方法存在以下几个问题：

• 内存占用高
  • 每个线程都需要占用一定的内存，当连接较多时，会开辟大量线程，导致占用大量内存
• 线程上下文切换成本高
• 只适合连接数少的场景
  • 连接数过多，会导致创建很多线程，从而出现问题

2、使用线程池技术：使用线程池，让线程池中的线程去处理连接

这种方法存在以下几个问题：

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个连接
  • 线程池中的线程获取任务（task）后，只有当其执行完任务之后（断开连接后），才会去获取并执行下一个任务
  • 若 socke 连接一直未断开，则其对应的线程就无法处理其他的 socke 连接
• 仅适合短连接场景
  • 短连接即建立连接发送请求并响应后就立即断开，使得线程池中的线程可以快速处理其他连接

3、使用选择器

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel（fileChannel 因为是阻塞式的，所以无法使用 selector），获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，当一个 channel 中没有执行任务时，线程可以去执行其他 channel 中的任务。适合连接数特别多，但流量较少的场景。

若事件未就绪，调用 selector 的 select( ) 方法会阻塞线程，直到 channel 发生了就绪事件。这些事件就绪后，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

2、ByteBuffer

有一个普通文本文件 data.txt，内容为：

1234567890abcd

使用 FileChannel 来读取文件内容：

@Slf4j
public class TestByteBuffer {

    public static void main(String[] args) {
        // FileChannel
        // 输入输出流
        try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
            // 准备缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); // 缓冲区大小
            while (true) {
                // 从 channel 读取数据，向 buffer 写入
                int len = channel.read(buffer);
                log.debug("读取到的字节数 {}", len);
                if (len == -1) { // 没有内容了
                    break;
                }
                // 打印 buffer 的内容
                buffer.flip(); // 切换到读模式
                while (buffer.hasRemaining()) { // 是否还有剩余未读字节
                    byte b = buffer.get();
                    log.debug("实际字节 {}", (char) b);
                }
                // 切换到写模式，清除已读内容
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

}

输出：

16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 读取到的字节数 10
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 0
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 1
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 2
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 3
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 4
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 5
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 6
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 7
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 8
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 9
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 读取到的字节数 4
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 a
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 b
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 c
16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 实际字节 

16:28:48 [DEBUG] [main] c.i.n.c.TestByteBuffer - 读取到的字节数 -1

使用方式：

• 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
• 调用 flip( ) 切换至读模式
  • flip 会使得 buffer 中的 limit 变为 position，position 变为 0
• 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get( )
• 调用 clear( ) 或者 compact( ) 切换至写模式
  • 调用 clear( ) 方法时 position=0，limit 变为 capacity
  • 调用 compact( ) 方法时，会将缓冲区中的未读数据压缩到缓冲区前面
• 重复以上步骤

2.1、ByteBuffer 正确使用姿势

ByteBuffer 有以下重要属性：

• capacity
• position
• limit

步骤：

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 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 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

调试工具类

public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}

public class TestByteBufferReadWrite {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 写入数据到缓冲区
        buffer.put((byte) 0x61); // 十六进制0x61 -> 'a'
        debugAll(buffer);
        // 写入数据到缓冲区
        buffer.put(new byte[]{0x62, 0x63, 0x64}); // b  c  d
        debugAll(buffer);
        // 不切换成读模式，直接读取数据
        System.out.println(buffer.get()); // 0
        // 切换成读模式
        buffer.flip();
        System.out.println(buffer.get()); // 0x61（十六进制） = 97（十进制）
        debugAll(buffer);
        // 切换成写模式，并把未读到的值往前移
        buffer.compact();
        debugAll(buffer);
        // 写入数据到缓冲区
        buffer.put(new byte[]{0x65, 0x6f});
        debugAll(buffer);
    }

}

2.2、ByteBuffer 常见方法

分配空间

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

Bytebuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

public class TestByteBufferAllocate {

    public static void main(String[] args) {
        /**
         * class java.nio.HeapByteBuffer    - java 堆内存，读写效率较低，受到 GC 的影响
         * class java.nio.DirectByteBuffer  - 系统内存（直接内存），读写效率高（少一次拷贝），不会受 GC 影响，分配的效率低
         */
        System.out.println(ByteBuffer.allocate(16).getClass());
        System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(16).getClass());
    }

}

向 buffer 写入数据

有两种办法：

• 调用 channel 的 read 方法
• 调用 buffer 自己的 put 方法

int readBytes = channel.read(buf);

// 和

buffer.put((byte)127);

从 buffer 读取数据

同样有两种办法

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

int writeBytes = channel.write(buf);

// 和

byte b = buffer.get();

注意：get 方法会让 position 读指针往后走，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

mark 和 reset

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

注意

rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

代码示例

public class TestByteBufferRead {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
        // 切换到读模式
        buffer.flip();

//        // 一次性读取 4 个字节
//        buffer.get(new byte[4]);
//        debugAll(buffer);
//        // rewind 从头开始读
//        buffer.rewind();
//        System.out.println((char) buffer.get()); // a

        /**
         * mark & reset
         * mark 是做一个标记，记录 position 位置
         * reset 是将 position 重置到 mark 的位置
         */
//        debugAll(buffer);
//        System.out.println((char) buffer.get()); // a
//        System.out.println((char) buffer.get()); // b
//        buffer.mark(); // 加标记，索引 2 的位置
//        System.out.println((char) buffer.get()); // c
//        System.out.println((char) buffer.get()); // d
//        buffer.reset(); // 将 position 重置到索引 2
//        System.out.println((char) buffer.get()); // c
//        System.out.println((char) buffer.get()); // d

        // get(i) 不会改变读索引的位置
//        debugAll(buffer);
//        System.out.println((char) buffer.get(3));
    }
}

2.3、字符串与 ByteBuffer 互转

public class TestByteBufferString {

    public static void main(String[] args) {
        // 1. 字符串转为 ByteBuffer，不会切换到读模式
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
        buffer1.put("hello".getBytes());
        debugAll(buffer1);

        // 2. Charset，会切换到读模式
        ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        debugAll(buffer2);

        // 3. wrap，会切换到读模式
        ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        debugAll(buffer3);

        // 4. ByteBuffer 转为字符串
        String str1 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
        System.out.println(str1);

        // 因为 buffer1 不是读模式，所以这里需要手动切换到读模式
        buffer1.flip();
        String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
    }

}

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [16]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

hello

hello

Buffer 的线程安全

注意：Buffer 是非线程安全的

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：

public class TestScatteringReads {

    public static void main(String[] args) {
        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) {
        }
    }

}

结果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6f 6e 65                                        |one             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 77 6f                                        |two             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 72 65 65                                  |three           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

2.5、Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据进行集中写入，提高效率

public class TestGatheringWrites {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");
        ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");

        try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {
            channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
        } catch (IOException e) {
        }
    }

}

2.6、粘包与半包

现象

网络上有多条数据要发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔

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，分别为

• Hello,world\n
• I’m Nyima\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (粘包，半包)

• Hello,world\nI’m Nyima\nHo
• w are you?\n

出现原因

粘包

发送方在发送数据时，并不是一条一条地发送数据，而是将数据整合在一起，当数据达到一定的数量后再一起发送。这就会导致多条信息被放在一个缓冲区中被一起发送出去

半包

接收方的缓冲区的大小是有限的，当接收方的缓冲区满了以后，就需要将信息截断，等缓冲区空了以后再继续放入数据。这就会发生一段完整的数据最后被截断的现象

解决办法

• 通过 get(index) 方法遍历 ByteBuffer，遇到分隔符时进行处理。注意：get(index)不会改变position的值
  • 记录该段数据长度，以便于申请对应大小的缓冲区
  • 将缓冲区的数据通过get()方法写入到target中
• 调用compact方法切换模式，因为缓冲区中可能还有未读的数据

public class TestByteBufferExam {

    public static void main(String[] args) {
         /*
         网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
         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 分隔的数据
         */
        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) {
        // 切换到读模式
        source.flip();
        // 遍历ByteBuffer的每一个节点
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            // 找到一条完整消息
            if (source.get(i) == '\n') {
                // 每条信息的长度等于：换行符的索引位置 + 1 - 当前position的索引位置
                int length = i + 1 - source.position();
                // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，向 target 写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    target.put(source.get());
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        // 把未读的数据移到缓冲区的最前面，然后再开启写模式
        source.compact();
    }

}

结果：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 0a             |Hello,world.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 27 6d 20 7a 68 61 6e 67 73 61 6e 0a          |I'm zhangsan.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 6f 77 20 61 72 65 20 79 6f 75 3f 0a          |How are you?.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

3、文件编程

3.1、FileChannel

注意

FileChannel 只能在阻塞模式下工作，所以无法搭配 Selector

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

通过 FileInputStream 获取 channel，通过 read 方法将数据写入到 ByteBuffer 中

read 方法的返回值表示读到了多少字节，若读到了文件末尾则返回-1

int readBytes = channel.read(buffer);

可根据返回值判断是否读取完毕

while(channel.read(buffer) > 0) {
    // 进行对应操作
    ...
}

写入

因为 channel 也是有大小限制的，所以 write 方法并不能保证一次性将 buffer 中的内容全部写入 channel。必须按照以下规则进行写入

// 通过hasRemaining()方法查看缓冲区中是否还有数据未写入到通道中
while(buffer.hasRemaining()) {
	channel.write(buffer);
}

关闭

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

一般通过 try-with-resource 进行关闭

public class TestChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("stu.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("student.txt");
             FileChannel inputChannel = fis.getChannel();
             FileChannel outputChannel = fos.getChannel()) {
            
            // 执行对应操作
            ...
                
        } catch (IOException e) {

				}
    }
}

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，那么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，调用写入时通常不会立刻写入到磁盘，而是会将数据进行缓存（pageCache）。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

public class TestFileChannelTransferTo {

    public static void main(String[] args) {
        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进行优化, 一次最多传 2g 数据
            long size = from.size();
            // left 变量代表还剩余多少字节
            for (long left = size; left > 0; ) {
                System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
                /**
                 * 第一个参数：传输的起始位置
                 * 第二个参数：要传输多少数据
                 * 第三个参数：传输到什么地方
                 * 返回的是实际传输的字节数
                 */
                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

输出

position:0 left:14

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 同样代表了  d:\1.txt

Path projects = 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

例如目录结构如下：

d:
    |- data
        |- projects
            |- a
            |- b

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("helloword/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建一级目录：

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

• 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException
• 不能一次性创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException

创建多级目录用

Path path = Paths.get("helloword/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，会抛异常 FileAlreadyExistsException
• 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/data.txt");

// StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

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);

如果目录下还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历目录文件

    /**
     * 遍历指定目录下的所有文件夹和所有文件
     *
     * @throws IOException
     */
    private static void m1() throws IOException {
        // 文件夹个数
        AtomicInteger dircount = new AtomicInteger();

        // 文件个数
        AtomicInteger filecount = new AtomicInteger();

        Files.walkFileTree(Paths.get("/Users/xiexu/图灵"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
            /**
             * 遍历到文件时所做的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                // 打印文件
                System.out.println(file);
                filecount.incrementAndGet();
                return super.visitFile(file, attrs);
            }

            /**
             * 进入文件夹以后所做的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
                // 打印文件夹
                System.out.println("===>" + dir);
                dircount.incrementAndGet();
                return super.postVisitDirectory(dir, exc);
            }
        });

        System.out.println("filecount = " + filecount);
        System.out.println("dircount = " + dircount);
    }

查看指定目录下有多少个jar包

    /**
     * 查看当前目录下有多少个jar包
     *
     * @throws IOException
     */
    private static void m2() throws IOException {
        AtomicInteger jarCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(Paths.get("/Users/xiexu/图灵"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
            /**
             * 遍历到文件时所做的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                // 判断文件是否以.jar结尾
                if (file.toString().endsWith(".jar")) {
                    System.out.println(file);
                    jarCount.incrementAndGet();
                }
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        System.out.println("jar count:" + jarCount);
    }

删除多级目录

    /**
     * 删除多级目录下的所有文件，步骤：
     * 1、进入目录之前应该不能删除，因为目录下面还有很多文件和子目录
     * 2、遍历到文件后就可以挨个删除
     * 3、进入目录之后，也就是相当于退出目录的时候，就可以执行删除当前目录的操作了，因为当前目录下的文件和子目录都已经被删除了
     */
    public static void m3() throws IOException {
        Files.walkFileTree(Paths.get("/Users/xiexu/图灵"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
            /**
             * 进入目录之前所做的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println("====> 进入" + dir);
                return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
            }

            /**
             * 遍历到文件后所做的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                Files.delete(file);
                return super.visitFile(file, attrs);
            }

            /**
             * 进入目录之后的操作
             * @return
             * @throws IOException
             */
            @Override
            public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
                Files.delete(dir);
                return super.postVisitDirectory(dir, exc);
            }
        });
    }

删除很危险

删除是危险操作，确保要递归删除的目录下没有重要内容，否则一旦删除了，那么这个操作是不可逆的！

拷贝多级目录

public class TestFilesCopy {

    /**
     * 拷贝多级目录
     *
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        String source = "/Users/xiexu/微信公众号开发全套资料";
        String target = "/Users/xiexu/微信公众号开发全套资料2";

        Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
            try {
                /**
                 * 将源文件夹的路径替换成目标文件夹的路径
                 */
                String targetName = path.toString().replace(source, target);
                // 如果是目录，就需要到目的文件夹上面创建相同的目录
                if (Files.isDirectory(path)) {
                    Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
                }
                // 如果是普通文件，则拷贝当前文件到目的文件夹中
                else if (Files.isRegularFile(path)) {
                    Files.copy(path, Paths.get(targetName));
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }
}

4、网络编程

4.1、阻塞 VS 非阻塞

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept 会在没有新的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 320 k，64 位 jvm 一个线程 1024 k，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
  • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，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

/**
 * 服务端
 */
@Slf4j
public class Server {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 使用 nio 来理解阻塞模式，单线程

        // 0、ByteBuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

        // 1、创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

        // 2、绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 3、建立一个连接的集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true) {
            log.debug("connecting...");
            // 4、建立与客户端的连接，SocketChannel 用来与客户端之间通信
            SocketChannel sc = ssc.accept(); // 如果没有新的客户端线程建立连接，那么accept方法就会阻塞，线程停止运行（不会占用CPU时间）
            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 读，buffer 写
                channel.read(buffer); // 如果没有数据可以读，那么read方法就会阻塞，线程停止运行（不会占用CPU时间）
                // 切换到读模式
                buffer.flip();
                debugRead(buffer);
                buffer.clear();
                log.debug("after read...{}", channel);
            }
        }
    }

}

客户端

/**
 * 客户端
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个客户端
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        // 链接到服务器
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        System.out.println("waiting...");
    }

}

运行结果：

• 客户端-服务器建立连接前：服务器端因 accept 阻塞

• 客户端-服务器建立连接后，客户端发送消息前：服务器端因通道为空被阻塞

• 客户端发送数据后，服务器处理通道中的数据。再次进入循环时，再次被 accept 阻塞

• 之前的客户端再次发送消息，服务器端因为被 accept 阻塞，无法处理之前客户端发送到通道中的信息

非阻塞

• 非阻塞模式下，相关方法都不会让线程暂停
  • 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，可以去执行其它 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）

/**
 * 服务端
 */
@Slf4j
public class Server {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 使用 nio 来理解非阻塞模式，单线程

        // 0、ByteBuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

        // 1、创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 配置非阻塞模式（默认是阻塞模式）
        ssc.configureBlocking(false);

        // 2、绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 3、建立一个连接的集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true) {
            // 4、建立与客户端的连接，SocketChannel 用来与客户端之间通信
            SocketChannel sc = ssc.accept(); // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，sc返回是null
            if (sc != null) {
                log.debug("connected...{}", sc);
                // 配置非阻塞模式（默认是阻塞模式）
                sc.configureBlocking(false);
                channels.add(sc);
            }

            for (SocketChannel channel : channels) {
                // 5、接收客户端发送的数据
                // channel 读，buffer 写
                int read = channel.read(buffer); // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有数据可读，read返回是0
                if (read > 0) {
                    // 切换到读模式
                    buffer.flip();
                    debugRead(buffer);
                    buffer.clear();
                    log.debug("after read...{}", channel);
                }
            }
        }
    }

}

这样写存在一个问题，因为设置了非阻塞，会一直执行 while(true) 中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不会使用这种方式来处理请求

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（只有事件发生了，Selector 才会让线程继续运行；如果事件没有发生，那么 Selector 是阻塞的）

• 多路复用仅针对网络 IO，普通文件 IO 是无法利用多路复用的
• 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
  • 有可读事件时才去读取
  • 有可写事件时才去写入
    • 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

使用 Selector 带来的好处：

• 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
• 让这个线程能够被充分利用
• 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

将一个 Channel 注册到一个 Selector 上，以便 Selector 可以监听和关心该 Channel 上发生的特定事件。

// 配置非阻塞模式
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，是因为接收能力弱，导致数据暂时不能读入的情况
• write：数据可写出时触发，是因为发送能力弱，导致数据暂时不能写出的情况

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：

方法一：阻塞直到绑定事件发生

int count = selector.select();

方法二：阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms，比如 1 秒内没有事件发生，那么超过 1 秒后它就会继续运行不会阻塞了）

int count = selector.select(long timeout);

方法三：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 read 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 Accpet 事件

客户端代码为：

/**
 * 客户端
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个客户端
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        // 链接到服务器
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        System.out.println("waiting...");
    }

}

服务端代码为：

public class SelectServer {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置关注的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
								// select 方法在事件未处理时，它不会阻塞；如果事件已经处理了，它才会阻塞
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
                // 使用迭代器遍历所有事件，逐一处理
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    
                    // 判断事件的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        
        				        // 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.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

/**
 * 服务端
 */
@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();

        // 创建选择器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 通道必须设置为非阻塞模式
        ssc.configureBlocking(false);

        // 2、建立 selector 和 channel 之间的联系（注册）
        //  SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道是和哪个 channel 发生的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // 当前 sscKey 只关注 accept 事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("register key: {}", sscKey);

        while (true) {
            // 3、select 方法，如果没有事件发生，那么线程阻塞；如果有事件，线程才会恢复运行
            // select 方法在事件未处理时，它不会阻塞；如果事件已经处理，它才会阻塞
            int ready = selector.select();
            log.debug("selected ready counts: {}", ready);

            // 4、处理事件，selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 使用迭代器遍历事件
            Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                log.debug("key: {}", key);

                // 5、区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept 事件

                    // 获取key对应的channel
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    log.debug("before accepting...");
                    /**
                     * 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
                     * accept 事件只会触发一次，如果不取消，下次 select 的时候，这个事件还会在 selectedKeys 中
                     * 获取连接
                     */
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    log.debug("after accepting...");
                    // 设置非阻塞模式
                    sc.configureBlocking(false);
                    // 将连接的通道注册到 selector 上
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    // 当前 scKey 只关注 read 事件
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}", sc);

                    // 处理完毕后，要记得从迭代器中删除当前的 key，防止重复处理
                    iter.remove();
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read 事件
                    try {
                        // 拿到触发事件的 channel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        // 如果是客户端正常断开，会返回 -1；如果是正常情况，会返回读取的字节数
                        int read = channel.read(buffer);
                        if (read == -1) {
                            key.channel();
                        } else {
                            buffer.flip();
                            debugRead(buffer);
                        }

                        // 处理完毕后，要记得从迭代器中删除当前的 key，防止重复处理
                        iter.remove();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 如果客户端异常断开了，需要将key取消（从 selector 的 keys 中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
    }

}

开启两个客户端，修改一下发送文字，输出：

sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378]
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 77 6f 72 6c 64                                  |world           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

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，但不会在处理完成后从 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 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件

不处理边界出现的问题

将缓冲区的大小设置为4个字节，发送2个汉字（你好），通过decode解码并打印时，会出现乱码

                   try {
                        // 拿到触发事件的 channel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
                        // 如果是客户端正常断开，会返回 -1；如果是正常情况，会返回读取的字节数
                        int read = channel.read(buffer);
                        if (read == -1) {
                            key.channel();
                        } else {
                            buffer.flip();
                            // 打印客户端发送的数据
                            System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer));
                        }

                        // 处理完毕后，要记得从迭代器中删除当前的 key，防止重复处理
                        iter.remove();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 如果是客户端异常断开了，需要将key取消（从 selector 的 keys 中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }

10:51:27 [DEBUG] [main] c.i.n.c4.Server - key: sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@29ba4338
你�
10:51:27 [DEBUG] [main] c.i.n.c4.Server - selected ready counts: 1
10:51:27 [DEBUG] [main] c.i.n.c4.Server - key: sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@29ba4338
��

这是因为在 UTF-8 字符集下，1个汉字占用3个字节，此时缓冲区大小为4个字节，一次读事件无法处理完通道中的所有数据，所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送，解码时就会出现问题。

处理消息边界

• 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，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
  • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式

服务端

/**
 * 服务端
 */
@Slf4j
public class Server {

    private static void split(ByteBuffer source) {
        // 切换到读模式
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            // 找到一条完整消息
            if (source.get(i) == '\n') {
                int length = i + 1 - source.position();
                // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，向 target 写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    target.put(source.get());
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        // 调用 compact 方法之后，position 的位置就等于往前压缩的字节数，limit 等于 capacity
        source.compact();
    }

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

        // 创建选择器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 通道必须设置为非阻塞模式
        ssc.configureBlocking(false);

        // 2、建立 selector 和 channel 之间的联系（注册）
        //  SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道是和哪个 channel 发生的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // 当前 sscKey 只关注 accept 事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("register key: {}", sscKey);

        while (true) {
            // 3、select 方法，如果没有事件发生，那么线程阻塞；如果有事件，线程才会恢复运行。从而避免了CPU空转
            // select 方法在事件未处理时，它不会阻塞；如果事件已经处理，它才会阻塞
            int ready = selector.select();
            log.debug("selected ready counts: {}", ready);

            // 4、处理事件，selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            // 使用迭代器遍历事件
            Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                log.debug("key: {}", key);

                // 5、判断事件的类型
                if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept 事件

                    // 获取key对应的channel
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    log.debug("before accepting...");
                    /**
                     * 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
                     * accept 事件只会触发一次，如果不取消，下次 select 的时候，这个事件还会在 selectedKeys 中
                     * 获取连接
                     */
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    log.debug("after accepting...");
                    // 设置非阻塞模式
                    sc.configureBlocking(false);
                    // 将连接的通道注册到 selector 上
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                    // 将 buffer 作为附件关联到 SelectionKey 上
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
                    // 当前 scKey 只关注 read 事件
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}", sc);

                    // 处理完毕后，要记得从迭代器中删除当前的 key，防止重复处理
                    iter.remove();
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read 事件
                    try {
                        // 拿到触发事件的 channel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        // 获取 SelectionKey 关联的附件（ByteBuffer）
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 如果是客户端正常断开，会返回 -1；如果是正常情况，会返回读取的字节数
                        int read = channel.read(buffer);
                        if (read == -1) {
                            key.channel();
                        } else {
                            split(buffer);
                            if (buffer.position() == buffer.limit()) {
                                // 如果 buffer 满了，将 buffer 扩容
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                                // 旧的 buffer 需要切换成读模式
                                buffer.flip();
                                // 将 buffer 中的数据，转移到 newBuffer 中
                                newBuffer.put(buffer);
                                // 将新的 buffer 作为附件关联到 key 上
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
                        // 处理完毕后，要记得从迭代器中删除当前的 key，防止重复处理
                        iter.remove();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 如果是客户端异常断开了，需要将key取消（从 selector 的 keys 中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
    }

}

客户端

/**
 * 客户端
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个客户端
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        // 链接到服务器
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
        // sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
        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

服务端

public class WriteServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 设置非阻塞模式
        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();
                // accept 事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    // 拿到 ServerSocketChannel
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    // 设置非阻塞模式
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);

                    // 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、判断是否还有剩余的数据
                    if (buffer.hasRemaining()) {
                        // 4、关注可写事件（在原来的基础上，再加上可写事件）
                        scKey.interestOps(scKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                        // 5、把剩余内容的 buffer 挂到 scKey 上（也就是指未写完的内容）
                        scKey.attach(buffer);
                    }

                    // 事件处理掉了，就需要移除了
                    iter.remove();
                } else if (key.isWritable()) { // 可写事件
                    // 把剩余内容的 buffer 取出来
                    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()) { // 写完了
                        // 6.1、需要清除 buffer
                        key.attach(null);
                        // 6.2、不需要关注可写事件了
                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
                    }

                    // 事件处理掉了，就需要移除了
                    iter.remove();
                }
            }
        }
    }
}

客户端

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);
            // 累加读取的字节数
            count += sc.read(buffer);
            System.out.println(count);
            // 每读一次，清空一次缓冲区
            buffer.clear();
        }
    }

}

write 为何要取消

只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件就会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不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

每个 selector 对应一个线程，一个 selector 可以管理多个 SocketChannel 上发生的事件

Boss 只关心 Accept 事件，也就是只负责建立连接（有一个 Boss 就够了）

Worker 关心 read、write 事件，也就是只负责数据的读写，且 Worker 数量不能太多，最好和 cpu 核心数一样

服务端

注意：socketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ, null); 只有在 selector.select(); 阻塞住的时候，它才会注册失败（也就是事件注册不上）

@Slf4j
public class MultiThreadServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 修改主线程的名字叫做 boss
        Thread.currentThread().setName("boss");
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        // 创建一个 Boss selector
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 创建固定数量的 worker 并初始化
        Worker worker = new Worker("worker-0");

        while (true) {
            // 监听 boss selector 上的事件
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                // boss selector 只关心 accept 事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // SocketChannel 关联到 worker selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
                    worker.register(sc); // 这行代码是被 boss 线程所调用，初始化 selector，启动 worker-0 线程
                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 每个worker都有一个对应的selector和thread
     * 一个worker可以对应多个socketChannel
     */
    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private Selector selector;

        // worker 线程名字
        private String name;
        private volatile boolean start = false; // 还未初始化

        // 线程安全的队列
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

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

        // 初始化线程和 selector
        public void register(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
            if (!start) {
                thread = new Thread(this, name);
                // 启动线程
                thread.start();
                // 初始化selector
                selector = Selector.open();
                start = true;
            }
            /**
             * 向队列添加任务，但是这个任务并没有被立刻执行
             * 注意：这里是boss线程往队列里面添加任务，但是没有执行这个任务，后面会在worker线程里面执行
             */
            queue.add(() -> {
                try {
                    // 将socketChannel注册到selector上，并且关注读事件
                    socketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ, null);
                } catch (ClosedChannelException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            // 唤醒selector，让selector不再阻塞
            selector.wakeup();
        }

        /**
         * 线程要执行的run方法
         * worker 只负责监测读写事件
         */
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select(); // worker-0
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run(); // 这里执行的是队列里面的任务
                    }
                    // 获取当前selector监听到的所有事件（也就是socketChannel上的读写事件）
                    Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        // 可读事件
                        if (key.isReadable()) {
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            // 切换到读模式
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                        // 执行完毕，移除当前事件
                        iter.remove();
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

还有另一种优化方式（不过第一种方式更好一点）：

        // 初始化线程和 selector
        public void register(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
            if (!start) {
                thread = new Thread(this, name);
                // 启动线程
                thread.start();
                // 初始化selector
                selector = Selector.open();
                start = true;
            }
            // 唤醒selector，让selector不再阻塞
            selector.wakeup();
            // 将socketChannel注册到selector上，并且关注读事件
            socketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ, null);
        }

客户端

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("1234567890abcdef"));
        System.in.read();
    }

}

如何拿到 CPU 个数

• Runtime.getRuntime( ).availableProcessors( ) 如果工作在 docker 容器下，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（jdk8 建议手动设置核心数比较好）
• 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启

多个 worker 的情况

@Slf4j
public class MultiThreadServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 修改主线程的名字叫做 boss
        Thread.currentThread().setName("boss");
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        // 创建一个 Boss selector
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 创建固定数量的 worker，并初始化
        Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()]; // 获取当前机器的核数
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new Worker("worker-" + i);
        }

        // 计数器
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();

        while (true) {
            // 监听 boss selector 上的事件
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                // boss selector 只关心 accept 事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // SocketChannel 关联到 worker selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());

                    // round robin 轮询
                    workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); // 这行代码是被 boss 线程所调用，初始化 selector，启动 worker-0 线程

                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 每个worker都有一个对应的selector和thread
     * 一个worker可以对应多个socketChannel
     */
    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private Selector selector;

        // worker 线程名字
        private String name;
        private volatile boolean start = false; // 还未初始化

        // 线程安全的队列
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

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

        // 初始化线程和 selector
        public void register(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
            if (!start) {
                thread = new Thread(this, name);
                // 启动线程
                thread.start();
                // 初始化selector
                selector = Selector.open();
                start = true;
            }
            /**
             * 向队列添加任务，但是这个任务并没有被立刻执行
             * 注意：这里是boss线程往队列里面添加任务，但是没有执行这个任务，后面会在worker线程里面执行
             */
            queue.add(() -> {
                try {
                    // 将socketChannel注册到selector上，并且关注读事件
                    socketChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ, null);
                } catch (ClosedChannelException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            // 唤醒selector，让selector不再阻塞
            selector.wakeup();
        }

        /**
         * 线程要执行的run方法
         * worker 只负责监测读写事件
         */
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select(); // worker-0
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run(); // 这里执行的是队列里面的任务
                    }
                    // 获取当前selector监听到的所有事件（也就是socketChannel上的读写事件）
                    Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        // 可读事件
                        if (key.isReadable()) {
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            // 切换到读模式
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                        // 执行完毕，移除当前事件
                        iter.remove();
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

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，而是由其它线程送结果（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

用户线程进行read操作时，需要等待操作系统执行实际的read操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作

非阻塞 IO

• 用户线程在一个循环中一直调用 read 方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回
  • 只是在等待阶段非阻塞
• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java中通过 Selector 实现多路复用

• 当没有事件是，调用select方法会被阻塞住
• 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

• 阻塞IO模式下，若线程因 accept 事件被阻塞，发生 read 事件后，仍需等待 accept 事件执行完成后，才能去处理 read 事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

异步 IO

• 线程1调用方法后立刻返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
• 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1

5.3、零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点：

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

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); // 用户态 -> 内核态

Socket socket = ...;  // 内核态 -> 用户态
socket.getOutputStream().write(buf); // 用户态 -> 内核态

内部工作流程是这样的：

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，其间也不会使用 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，这时将数据从用户缓冲区（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，而是缓存的复制，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)，返回的是 HeapByteBuffer，使用的还是 java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10) 返回的是 DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用

• 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 对象仅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

• 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
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
• 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与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化（linux 2.4）

• 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
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核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与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

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

5.4、AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

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)) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            log.debug("read begin...");
            /**
             * 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 CompletionHandler
             */
            channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                /**
                 * read 成功，会调用该方法
                 */
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read completed...{}", result);
                    attachment.flip();
                    debugAll(attachment);
                }

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

}