JAVA NIO详解

一、Java NIO

1.1阻塞IO概述

通常在进行同步I/О操作时，如果读取数据，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样，写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR(Thread per Request),服务器会为每个客戌端请求建立一个线程，由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增，大量的线程会增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这由带来了新的问题，如果线程池中有100个线程，而有100个用户都在进行大文件下载，会导致第101个用户的请求无法及时处理，即便第101个用户只想请求一个几KB大小的页面。

1.2 NIO（非阻塞IO）概述

• 当有读或写的注册事件发生，可以从Selector中获取相应的SelectionKey，同时可以从SelectionKey中找到发生的时间和发生的具体的SelectableChannel。
• 非阻塞指的是IO事件本身不阻塞,但是获取IO事件的select()方法是需要阻塞等待的.区别是阻塞的IO会阻塞在IO操作上， NIO阻塞在事件获取上,没有事件就没有IO,从高层次看IO就不阻塞了.也就是说只有IO已经发生那么我们才评估IO是否阻塞,但是select()阻塞的时候IO还没有发生,何谈IO的阻塞呢?NIO的本质是延迟IO操作到真正发生IO的时候,而不是以前的只要IO流打开了就一直等待IO操作。

1.2.1JAVA NIO 组成

Channel

• Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动(一个流必须是 InputStream 或者OutputStream的子类)，而且通道可以用于读、写或者同时用于读写。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的APl。
• NIO中通过channel封装了对数据源的操作，通过channel我们可以操作数据源，但又不必关心数据源的具体物理结构。这个数据源可能是多种的。比如，可以是文件，也可以是网络socket。在大多数应用中，channel与文件描述符或者socket是——对应的。Channel用于在字节缓冲区和位于通道另一侧的实体（通常是一个文件或套接字）之间有效地传输数据。

分类

• FileChannel从文件中读写数据。
• DatagramChannel能通过UDP读写网络中的数据。
• SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。’
• ServerSocketChannel可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

1.2.2 Scatter/Gather

分散(Scatter)

• 从Channel中读取数据，数据分散到多个buffer中去。

聚集(Gather)

• 将多个buffer中的数据聚集到一个channel中去。

2.1 Buffer

缓冲区。本质上为可以读取数据，也可以写入数据的一块内存。

2.1.1 使用Buffer步骤

• 写数据到Buffer
• 调用filp()方法
• 从Buffer读取数据
• 调用clear()方法或compact()方法 (clear会清空缓冲区，compact会清空已经读过的数据)

2.1.2 Buffer的三个属性

(1) Capacity

• 内存块的大小,一旦Buffer满了，需要清空。

(2) Position

• 写模式中，position表示当前写入的位置，position最大为capacity-1。读模式下，为读入数据的当前位置。

(3) limit

• 写数据时，能写入多少的数据，写模式下，limit等于capacity。读数据时，表示有多少数据可读，在写模式下就是position。

2.2 缓冲区分片（根据现有缓冲区分片多个子缓冲区）

• 只读缓冲区：只能读数据，不能写入。
• 直接缓冲区：为了加快I/O速度。
• 内存映射文件I/O。

3.1 Selector

• 可以使用单线程管理多个channel，也就是管理多个网络连接，selector相当于多路复用器，使用更少的线程，相比使用多个线程，避免上下文切换。
• 一些channel是不可被复用，例如filechannel，只有继承了SelectorableChannel才能被复用。

3.1.2 channel注册到Selector

• 注册
  Channel.resiter(Selector sel,int ops)
  sel为选择器，ops为需要查询的通道的操作(可读，可写，连接，接收)
• 选择键
  (1) Channel注册到后，并且一旦通道处于某种就绪的状态，就可以被选择器查询到。这个工作，使用选择器Selector的select ()方法完成。select方法的作用，对感兴趣的通道操作，进行就绪状态的查询。
  (2) Selector可以不断的查询Channel中发生的操作的就绪状态。并且挑选感兴趣的操作就绪状态。一旦通道有操作的就绪状态达成，并且是Selector感兴趣的操作，就会被Selector选中，放入选择键集合中。
  (3）一个选择键，首先是包含了注册在Selector的通道操作的类型，比方说SelectionKey.OP.READ。也包含了特定的通道与特定的选择器之间的注册关系。开发应用程序是，选择键是编程的关键。NIO的编程，就是根据对应的选择键，进行不同的业务逻辑处理。

3.2 NIO管道(pipe)

Java NIO管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

3.3 文件锁(FileLock)

• 文件锁是进程级别的，不是线程级别的，不能解决多线程同时访问一个文件的，修改同一文件的问题。同一个进程，多个线程能够同时访问。
• 文件锁是程序所属JVM所持有，要调用release()或者关闭对应的FileChannel对象或者程序退出，才会释放对应的文件锁。

具体代码在https://github.com/guopeizhun/java-nio