【死磕Netty】-----NIO基础详解

原文出处http://cmsblogs.com/ 『chenssy』
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Netty 是基于Java NIO 封装的网络通讯框架，只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底层设计。Java NIO 由三个核心组件组件：

• Buffer
• Channel
• Selector

缓冲区 Buffer

Buffer 是一个数据对象，我们可以把它理解为固定数量的数据的容器，它包含一些要写入或者读出的数据。

在 Java NIO 中，任何时候访问 NIO 中的数据，都需要通过缓冲区（Buffer）进行操作。读取数据时，直接从缓冲区中读取，写入数据时，写入至缓冲区。NIO 最常用的缓冲区则是 ByteBuffer。下图是 Buffer 继承关系图：

每一个 Java 基本类型都对应着一种 Buffer，他们都包含这相同的操作，只不过是所处理的数据类型不同而已。

通道 Channel

Channel 是一个通道，它就像自来水管一样，网络数据通过 Channel 这根水管读取和写入。传统的 IO 是基于流进行操作的，Channle 和类似，但又有些不同：

区别 流 通过Channel 支持异步 不支持 支持 是否可双向传输数据 不能，只能单向 可以，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据 是否结合 Buffer 使用 不 必须结合 Buffer 使用 性能 较低 较高

正如上面说到的，Channel 必须要配合 Buffer 一起使用，我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中，同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中，如下：

简单点说，Channel 是数据的源头或者数据的目的地，用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据，并且对 I/O 提供异步支持。

下图是 Channel 的类图（http://blog.csdn.net/tsyj810883979/article/details/6876594）

Channel 为最顶层接口，所有子 Channel 都实现了该接口，它主要用于 I/O 操作的连接。定义如下：

public interface Channel extends Closeable {    /**     * 判断此通道是否处于打开状态。      */    public boolean isOpen();    /**     *关闭此通道。     */    public void close() throws IOException;}

最为重要的Channel实现类为：

• FileChannel：一个用来写、读、映射和操作文件的通道
• 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

多路复用器 Selector

多路复用器 Selector，它是 Java NIO 编程的基础，它提供了选择已经就绪的任务的能力。从底层来看，Selector 提供了询问通道是否已经准备好执行每个 I/O 操作的能力。简单来讲，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel，如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，进行后续的 I/O 操作。

Selector 允许一个线程处理多个 Channel ，也就是说只要一个线程复杂 Selector 的轮询，就可以处理成千上万个 Channel ，相比于多线程来处理势必会减少线程的上下文切换问题。下图是一个 Selector 连接三个 Channel ：

实例

服务端

public class NIOServer {    /*接受数据缓冲区*/    private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);    /*发送数据缓冲区*/    private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);    private Selector selector;    public NIOServer(int port) throws IOException {        // 打开服务器套接字通道        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();        // 服务器配置为非阻塞        serverSocketChannel.configureBlocking(false);        // 检索与此通道关联的服务器套接字        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();        // 进行服务的绑定        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));        // 通过open()方法找到Selector        selector = Selector.open();        // 注册到selector，等待连接        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);        System.out.println("Server Start----:");    }    //    private void listen() throws IOException {        while (true) {            selector.select();            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();            while (iterator.hasNext()) {                SelectionKey selectionKey = iterator.next();                iterator.remove();                handleKey(selectionKey);            }        }    }    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {        // 接受请求        ServerSocketChannel server = null;        SocketChannel client = null;        String receiveText;        String sendText;        int count=0;        // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。        if (selectionKey.isAcceptable()) {            // 返回为之创建此键的通道。            server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();            // 接受到此通道套接字的连接。            // 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。            client = server.accept();            // 配置为非阻塞            client.configureBlocking(false);            // 注册到selector，等待连接            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);        } else if (selectionKey.isReadable()) {            // 返回为之创建此键的通道。            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();            //将缓冲区清空以备下次读取            receivebuffer.clear();            //读取服务器发送来的数据到缓冲区中            count = client.read(receivebuffer);            if (count > 0) {                receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText);                client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);            }        } else if (selectionKey.isWritable()) {            //将缓冲区清空以备下次写入            sendbuffer.clear();            // 返回为之创建此键的通道。            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();            sendText="message from server--";            //向缓冲区中输入数据            sendbuffer.put(sendText.getBytes());            //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位            sendbuffer.flip();            //输出到通道            client.write(sendbuffer);            System.out.println("服务器端向客户端发送数据--："+sendText);            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);        }    }    /**    * @param args    * @throws IOException    */    public static void main(String[] args) throws IOException {        int port = 8080;        NIOServer server = new NIOServer(port);        server.listen();    }}

客户端

public class NIOClient {    /*接受数据缓冲区*/    private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);    /*发送数据缓冲区*/    private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);    public static void main(String[] args) throws IOException {        // 打开socket通道        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();        // 设置为非阻塞方式        socketChannel.configureBlocking(false);        // 打开选择器        Selector selector = Selector.open();        // 注册连接服务端socket动作        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);        // 连接        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));        Set<SelectionKey> selectionKeys;        Iterator<SelectionKey> iterator;        SelectionKey selectionKey;        SocketChannel client;        String receiveText;        String sendText;        int count=0;        while (true) {            //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。            //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。            selector.select();            //返回此选择器的已选择键集。            selectionKeys = selector.selectedKeys();            //System.out.println(selectionKeys.size());            iterator = selectionKeys.iterator();            while (iterator.hasNext()) {                selectionKey = iterator.next();                if (selectionKey.isConnectable()) {                    System.out.println("client connect");                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();                    // 判断此通道上是否正在进行连接操作。                    // 完成套接字通道的连接过程。                    if (client.isConnectionPending()) {                        client.finishConnect();                        System.out.println("完成连接!");                        sendbuffer.clear();                        sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());                        sendbuffer.flip();                        client.write(sendbuffer);                    }                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);                } else if (selectionKey.isReadable()) {                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();                    //将缓冲区清空以备下次读取                    receivebuffer.clear();                    //读取服务器发送来的数据到缓冲区中                    count=client.read(receivebuffer);                    if(count>0){                        receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);                        System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText);                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);                    }                } else if (selectionKey.isWritable()) {                    sendbuffer.clear();                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();                    sendText = "message from client--";                    sendbuffer.put(sendText.getBytes());                    //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位                    sendbuffer.flip();                    client.write(sendbuffer);                    System.out.println("客户端向服务器端发送数据--："+sendText);                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);                }            }            selectionKeys.clear();        }    }}

运行结果

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参考

• Java NIO 系列教程
• Netty 权威指南（第2版）