NIO

一、NIO的概念

Java NIO(New IO)是一个可以替代标准Java IO API的IO API（从Java 1.4开始)，Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式。

Java NIO: Channels and Buffers（通道和缓冲区）

标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

Java NIO: Non-blocking IO（非阻塞IO）

Java NIO可以让你非阻塞的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。但NIO不仅仅就是等于Non-blocking IO（非阻塞IO），NIO中有实现非阻塞IO的具体类，但不代表NIO就是Non-blocking IO（非阻塞IO）。

Java NIO: Selectors（选择器）

Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

Buffer
Channel
Selector

传统的IO操作面向数据流，意味着每次从流中读一个或多个字节，直至完成，数据没有被缓存在任何地方。NIO操作面向缓冲区，数据从Channel读取到Buffer缓冲区，随后在Buffer中处理数据。

二、Buffer

1.利用Buffer读写数据，通常遵循四个步骤：

⑴把数据写入buffer；
⑵调用flip；
⑶从Buffer中读取数据；
⑷调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。
一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

2.Buffer的容量，位置，上限（Buffer Capacity, Position and Limit）

buffer缓冲区实质上就是一块内存，用于写入数据，也供后续再次读取数据。这块内存被NIO Buffer管理，并提供一系列的方法用于更简单的操作这块内存。

position和limit的具体含义取决于当前buffer的模式。capacity在两种模式下都表示容量。
下面有张示例图，描诉了不同模式下position和limit的含义：

⑴容量（Capacity）

作为一块内存，buffer有一个固定的大小，叫做capacity容量。也就是最多只能写入容量值得字节，整形等数据。一旦buffer写满了就需要清空已读数据以便下次继续写入新的数据。

⑵位置（Position）

当写入数据到Buffer的时候需要中一个确定的位置开始，默认初始化时这个位置position为0，一旦写入了数据比如一个字节，整形数据，那么position的值就会指向数据之后的一个单元，position最大可以到capacity-1.
当从Buffer读取数据时，也需要从一个确定的位置开始。buffer从写入模式变为读取模式时，position会归零，每次读取后，position向后移动。

⑶上限（Limit）

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

3.分配一个Buffer（Allocating a Buffer）

为了获取一个Buffer对象，你必须先分配。每个Buffer实现类都有一个allocate()方法用于分配内存。下面看一个实例,开辟一个48字节大小的buffer：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

开辟一个1024个字符的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

三、Channel

Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下几点区别：

通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写）。
通道可以异步读写。
通道总是基于缓冲区Buffer来读写。
正如上面提到的，我们可以从通道中读取数据，写入到buffer；也可以中buffer内读数据，写入到通道中。下面有个示意图：

Channel的实现类有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel
还有一些异步IO类，后面有介绍。

FileChannel用于文件的数据读写。 DatagramChannel用于UDP的数据读写。 SocketChannel用于TCP的数据读写。 ServerSocketChannel允许我们监听TCP链接请求，每个请求会创建会一个SocketChannel。

四、Selector使用

Selector是Java NIO中的一个组件，用于检查一个或多个NIO Channel的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels。

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

1、创建Selector(Creating a Selector)。创建一个Selector可以通过Selector.open()方法：

Selector selector = Selector.open();

2、注册Channel到Selector上：

channel.configureBlocking(false);SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

Channel必须是非阻塞的。上面对IO multiplexing的图解中可以看出。所以FileChannel不适用Selector，因为FileChannel不能切换为非阻塞模式。Socket channel可以正常使用。
注意register的第二个参数，这个参数是一个“关注集合”，代表我们关注的channel状态，有四种基础类型可供监听：

ConnectAcceptReadWrite

一个channel触发了一个事件也可视作该事件处于就绪状态。
因此当channel与server连接成功后，那么就是“Connetct”状态。server channel接收请求连接时处于“Accept”状态。channel有数据可读时处于“Read”状态。channel可以进行数据写入时处于“Writer”状态。当注册到Selector的所有Channel注册完后，调用Selector的select()方法，将会不断轮询检查是否有以上设置的状态产生，如果产生便会加入到SelectionKey集合中，进行后续操作。

上述的四种就绪状态用SelectionKey中的常量表示如下：

SelectionKey.OP_CONNECTSelectionKey.OP_ACCEPTSelectionKey.OP_READSelectionKey.OP_WRITE

如果对多个事件感兴趣可利用位的或运算结合多个常量，比如：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

3、从Selector中选择channel(Selecting Channels via a Selector)
一旦我们向Selector注册了一个或多个channel后，就可以调用select来获取channel。select方法会返回所有处于就绪状态的channel。

int select()int select(long timeout)int selectNow()

select()方法在返回channel之前处于阻塞状态。 select(long timeout)和select做的事一样，不过他的阻塞有一个超时限制。

selectNow()不会阻塞，根据当前状态立刻返回合适的channel。

select()方法的返回值是一个int整形，代表有多少channel处于就绪了。也就是自上一次select后有多少channel进入就绪。

举例来说，假设第一次调用select时正好有一个channel就绪，那么返回值是1，并且对这个channel做没有任何处理，接着再次调用select，此时恰好又有一个新的channel就绪，那么返回值还是1，现在我们一共有两个channel处于就绪，但是在每次调用select时只有一个channel是就绪的。

4、selectedKeys()

在调用select并返回了有channel就绪之后，可以通过选中的key集合来获取channel，这个操作通过调用selectedKeys()方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

遍历这些SelectionKey可以通过如下方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while(keyIterator.hasNext()) {    SelectionKey key = keyIterator.next();    if(key.isAcceptable()) {        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.    } else if (key.isConnectable()) {        // a connection was established with a remote server.    } else if (key.isReadable()) {        // a channel is ready for reading    } else if (key.isWritable()) {        // a channel is ready for writing    }    keyIterator.remove();}

上述循环会迭代key集合，针对每个key我们单独判断他是处于何种就绪状态。

注意keyIterater.remove()方法的调用，Selector本身并不会移除SelectionKey对象，这个操作需要我们收到执行。当下次channel处于就绪是，Selector任然会把这些key再次加入进来。

SelectionKey.channel返回的channel实例需要强转为我们实际使用的具体的channel类型，例如ServerSocketChannel或SocketChannel.

5、wakeUp()
由于调用select而被阻塞的线程，可以通过调用Selector.wakeup()来唤醒即便此时已然没有channel处于就绪状态。具体操作是，在另外一个线程调用wakeup，被阻塞与select方法的线程就会立刻返回。

6、close()

当操作Selector完毕后，需要调用close方法。close的调用会关闭Selector并使相关的SelectionKey都无效。channel本身不管被关闭。

7、完整的Selector案例

Selector selector = Selector.open();channel.configureBlocking(false);SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while(true) {  int readyChannels = selector.select();  if(readyChannels == 0) continue;  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();  while(keyIterator.hasNext()) {    SelectionKey key = keyIterator.next();    if(key.isAcceptable()) {        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.    } else if (key.isConnectable()) {        // a connection was established with a remote server.    } else if (key.isReadable()) {        // a channel is ready for reading    } else if (key.isWritable()) {        // a channel is ready for writing    }    keyIterator.remove();  }}

五、NIO和IO的区别
IO    面向流     阻塞IO

NIO 面向缓冲 非阻塞IO 选择器

1.面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 JavaIO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

2.阻塞与非阻塞IO

阻塞IO： 资源不可用时，IO请求一直阻塞，直到反馈结果（有数据或超时）。

非阻塞IO：资源不可用时，IO请求离开返回，返回数据标识资源不可用

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

3.选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。