Java NIO
NIO 简介
在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。也就是说，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。
为了解决这个问题，在 Java1.4 版本引入了一种新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也称为 Non-blocking IO） 。NIO 弥补了同步阻塞 I/O 的不足，它在标准 Java 代码中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的 I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了 I/O 效率和并发。
⚠️需要注意：使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO
NIO 核心组件
NIO 主要包括以下三个核心组件：
- Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
- Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
- Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。
Buffer（缓冲区）
在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的， 分为字节流和字符流。
在 Java 1.4 的 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。 使用 NIO 在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。
Buffer 的子类如下图所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。
你可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分别对应 int[]、float[]、char[] 等。
为了更清晰地认识缓冲区，我们来简单看看Buffer 类中定义的四个成员变量：
public abstract class Buffer {
// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;
}
这四个成员变量的具体含义如下：
- 容量（
capacity）：Buffer可以存储的最大数据量，Buffer创建时设置且不可改变； - 界限（
limit）：Buffer中可以读/写数据的边界。写模式下，limit代表最多能写入的数据，一般等于capacity（可以通过limit(int newLimit)方法设置）；读模式下，limit等于 Buffer 中实际写入的数据大小。 - 位置（
position）：下一个可以被读写的数据的位置（索引）。从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position都会归零，这样就可以从头开始读写了。 - 标记（
mark）：Buffer允许将位置直接定位到该标记处，这是一个可选属性；
并且，上述变量满足如下的关系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。
另外，Buffer 有读模式和写模式这两种模式，分别用于从 Buffer 中读取数据或者向 Buffer 中写入数据。Buffer 被创建之后默认是写模式，调用 flip() 可以切换到读模式。如果要再次切换回写模式，可以调用 clear() 或者 compact() 方法。
Buffer 对象不能通过 new 调用构造方法创建对象 ，只能通过静态方法实例化 Buffer。
这里以 ByteBuffer为例进行介绍：
// 分配堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);
Buffer 最核心的两个方法：
get: 读取缓冲区的数据put：向缓冲区写入数据
除上述两个方法之外，其他的重要方法：
flip：将缓冲区从写模式切换到读模式，它会将limit的值设置为当前position的值，将position的值设置为 0。clear: 清空缓冲区，将缓冲区从读模式切换到写模式，并将position的值设置为 0，将limit的值设置为capacity的值。- ……
Channel（通道）
Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。
BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。
Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中
另外，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 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。
Channel 的子类如下图所示。
其中，最常用的是以下几种类型的通道：
FileChannel：文件访问通道；SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通信通道；DatagramChannel：UDP 通信通道；
Channel 最核心的两个方法：
read：读取数据并写入到 Buffer 中。write：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
这里我们以 FileChannel 为例演示一下是读取文件数据的
RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
Selector（选择器）
Selector（选择器） 是 NIO 中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行响应的 I/O 操作。
一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
Selector 可以监听以下四种事件类型：
SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于ServerSocketChannel。SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于SocketChannel。SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。
Selector是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。
一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：
- 所有的
SelectionKey集合：代表了注册在该 Selector 上的Channel，这个集合可以通过keys()方法返回。 - 被选择的
SelectionKey集合：代表了所有可通过select()方法获取的、需要进行IO处理的 Channel，这个集合可以通过selectedKeys()返回。 - 被取消的
SelectionKey集合：代表了所有被取消注册关系的Channel，在下一次执行select()方法时，这些Channel对应的SelectionKey会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。
简单演示一下如何遍历被选择的 SelectionKey 集合并进行处理：
NIO 零拷贝
零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ、QMQ、Netty 等顶级开源项目都用到了零拷贝。
零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。也就是说，零拷贝主主要解决操作系统在处理 I/O 操作时频繁复制数据的问题。零拷贝的常见实现技术有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy 。
下图展示了各种零拷贝技术的对比图：
| CPU 拷贝 | DMA 拷贝 | 系统调用 | 上下文切换 | |
|---|---|---|---|---|
| 传统方法 | 2 | 2 | read+write | 4 |
| mmap+write | 1 | 2 | mmap+write | 4 |
| sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
| sendfile + DMA gather copy | 0 | 2 | sendfile | 2 |
可以看出，无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。
Java 对零拷贝的支持：
MappedByteBuffer是 NIO 基于内存映射（mmap）这种零拷⻉⽅式的提供的⼀种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的mmap系统调用。它可以将一个文件或者文件的一部分映射到内存中，形成一个虚拟内存文件，这样就可以直接操作内存中的数据，而不需要通过系统调用来读写文件。FileChannel的transferTo()/transferFrom()是 NIO 基于发送文件（sendfile）这种零拷贝方式的提供的一种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的sendfile系统调用。它可以直接将文件数据从磁盘发送到网络，而不需要经过用户空间的缓冲区