Java NIO

在整理NIO文档前先介绍下5个I/O模型。在将I/O模型之前还得介绍几个概念：

I/O操作流程

  • 内核空间和用户空间

数据从磁盘移动到用户进程的内存区域时，要涉及到内核空间和用户空间。
用户空间就是常规进程（如JVM）所在区域，_用户空间_是非特权区域，如不能直接访问硬件设备。内核空间是操作系统所在区域，那肯定是有特权啦，如能与设备控制器通讯，控制用户区域的进程运行状态。进程执行I/O操作时，它执行一个系统调用把控制权交由内核。

  • 缓冲区操作

缓冲区操作是所有I/O的基础，进程执行I/O操作，归结起来就是向操作系统发出请求，让它要么把缓冲区里的数据排干（写），要么把缓冲区填满（读）

5种I/O模型

IO请求分为两个阶段：1、等待数据就绪。2、从内核缓冲区拷贝数据到进程缓冲区
按照请求是否阻塞分为：同步IO和异步IO。
Unix存在5种IO模型：
（1）阻塞IO:最常用的模型，缺省情况文件操作都是阻塞的。
阻塞I/O
（2）非阻塞IO:用户需要不断主动询问kernel数据是否准备好了，准备好之后通知用户将数据从内核空间copy到用户空间(用户得到通知之后，亲自去内核空间中将数据复制到用户空间)。
这里的非阻塞是指等待数据准备好的这段时间不会阻塞，需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的，是在空等；而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的，真正在”干活”，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。。
非阻塞I/O
（3）IO复用:也叫作event driven IO
I/O复用
（4）信号驱动IO:内核通知我们何时可以开始一个I/O操作
（5）异步IO:内核通知我们I/O操作何时已经完成
异步I/O

疑问–Java NIO对应哪种I/O模型？

wiki上说”Non-blocking I/O (usually called NIO, and sometimes called “New I/O”)”，而又有很多blog说NIO就是IO复用，经常说NIO的select是IO复用，在I/O模型中非阻塞IO和IO复用是两种不同的模型，这个是怎么回事？？？Java NIO与Non-blocking I/O、I/O复用的关系是什么？？？？是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础。

NIO的优势

NIO较于传统IO的优势在于NIO是基于块的，而且有通道（Channel）和缓冲区（buffer）的概念，更加接近操作系统执行IO的方式。

优势如下：

  • 事件驱动模型(Reactor设计模式–Reactor是并发编程中的一种基于事件驱动的设计模式。)
  • 避免多线程(Reactor模式中_单线程轮询_来进行事件分发)
  • 非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞，而是返回0
  • 基于block的传输，通常比基于流的传输更高效
  • 更高级的IO函数，zero-copy
  • IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性

概念

  • 缓冲区

在缓冲区中，最重要的属性有下面三个，它们一起合作完成对缓冲区内部状态的变化跟踪：
position：指定了下一个将要被写入或者读取的元素索引，它的值由get()/put()方法自动更新，在新创建一个Buffer对象时，position被初始化为0。
limit：指定当前buffer中读取数据时的末尾index 例如当前buffer的capacity是10，但只写入内容只占到4，则此时读取buffer时，limit为4，读取的内容到limit为止，也可以说limit记录了当前buffer已用的容量。也就是说指定当前buffer有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。
capacity：指定了可以存储在缓冲区中的最大数据容量，实际上，它指定了底层数组的大小，或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。

读取buffer中的数据时，调用flip(),此方法将会完成两件事情：
1、把limit设置为当前的position值
2、把position设置为0

以上三个属性值之间相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity。如果我们创建一个新的容量大小为10的ByteBuffer对象，在初始化的时候（调用clear()方法将buffer重置为初始化），position设置为0，limit和 capacity被设置为10，在以后使用ByteBuffer对象过程中，capacity的值不会再发生变化，而其它两个个将会随着使用而变化。

  • 通道

通道主要用来传输数据，与缓冲区进行交互，与Selector关联起来使用的，实际上是通过SelectableChannel中的register()方法进行注册的（如果在阻塞模式下注册一个通道，系统会抛出IllegalBlockingModeException异常。 ）。register()方法返回一个SelectionKey，SelectionKey是Channel和Selector之间的关联对象，该对象可以通过channel()和selector()方法得到该SelectionKey关联的channel和selector。SelectionKey维护着两个Set集合，一个是感兴趣的事件集合interestOps()，另一个是准备好了的，可以进行IO操作的集合readyOps()。SelectionKey类中定义了4种可选择操作：read、write、 connect和accept，每个具体通道有不同的有效的可选择操作集 合，比如ServerSocketChannel的有效操作集合是accept，而SocketChannel的有效操作集合是read、write和 connect。

  • 选择器

选择器可谓NIO中的重头戏，I/O复用的核心，其中维护着两个键的集合：已注册的键的集合keys()和已选择的键的集合selectedKeys()，已选择的键的集合是已注册的键的集合的子集。除此之外，其实选择器内部还维护着一个已取消的键的集合，这个集合包含了cancel()方法被调用过的键。

当Selector和特定的SelectableChannel关联好后就开始工作了，工作时只需要调用select()方法。select() 是阻塞调用线程，直到有某个Channel的某个感兴趣的Op准备好了。select()只返回本次执行select()时从_未准备好到准备好状态的channel数（在执行select()之前已经准备好的channel不进行计数）_，如果不为0，将调用selectedKeys()方法得到一个已选择的键的集合set。

代码

下面是一个服务器端代码

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int port = 30;

// ServerSocketChannel没有bind()方法，
//因此需要取出对等的Socket对象并使用它来绑定到某一端口以开始监听连接。
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open( );
ServerSocket serverSocket = serverChannel.socket( );
serverSocket.bind (new InetSocketAddress (port));

//通常Selector是由静态工厂方法open()实例化的
Selector selector = Selector.open( );

//如果在阻塞模式下注册一个通道，系统会抛出IllegalBlockingModeException异常。 
serverChannel.configureBlocking (false);
serverChannel.register (selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

// Dispatch Loop
while (true) {

//select() 阻塞调用线程，直到有某个Channel的某个感兴趣的Op准备好了
//返回本次执行select时从未准备好到准备好状态的channel数，
//不为0，则调用selector.selectedKeys()
    int n = selector.select( );
    if (n == 0) {
        continue; // nothing to do
    }
    Iterator it = selector.selectedKeys().iterator( );
    while (it.hasNext( )) {
    	//得到SelectionKey
        SelectionKey key = (SelectionKey) it.next( );
        if (key.isAcceptable( )) {
        	//通过SelectionKey的channel()得到该感兴趣事件的channel
            ServerSocketChannel server = 
            			(ServerSocketChannel) key.channel( );
            //在非阻塞模式下，当没有传入连接在等待时，
            //其accept()方法会立即返回null。
            SocketChannel channel = server.accept( );
            if (channel == null) {
                //handle code, could happen
            }
            channel.configureBlocking (false);
            channel.register (selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        if (key.isReadable( )) {
            readDataFromSocket (key);  
        }
        //这行代码是必要的,将该key放入cancel集合中，在下次select()时删除
        it.remove( );
    }
}

参考

https://yq.aliyun.com/articles/2371
http://www.molotang.com/articles/906.html
http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf