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NIO

分类: 文章 • 2024-08-02 12:04:10

1. Channel

在NIO中，基本所有的IO操作都是从Channel开始的，Channel通过Buffer(缓冲区)进行读写操作。

read()表示读取通道中数据到缓冲区，write()表示把缓冲区数据写入到通道。
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Channel有好多实现类，这里有三个最常用：

  • SocketChannel：一个客户端发起TCP连接的Channel

  • ServerSocketChannel：一个服务端监听新连接的TCP Channel，对于每一个新的Client连接，都会建立一个对应的SocketChannel

  • FileChannel：从文件中读写数据

其中SocketChannel和ServerSocketChannel是网络编程中最常用的，一会在最后的示例代码中会有讲解到具体用法。


2. Buffer

Buffer也被成为内存缓冲区，本质上就是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存中读取数据。也可以将这块内存封装成NIO Buffer对象，并提供一组常用的方法，方便我们对该块内存进行读写操作。我们可以将Buffer理解为一个数组的封装，我们最常用的ByteBuffer对应的数据结构就是byte[]。

Buffer中有4个非常重要的属性：capacity、limit、position、mark

  • capacity属性：容量，Buffer能够容纳的数据元素的最大值，在Buffer初始化创建的时候被赋值，而且不能被修改。

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上图中，初始化Buffer的容量为8（图中从0~7，共8个元素），所以capacity = 8

  • limit属性：代表Buffer可读可写的上限。

    • 写模式下：limit 代表能写入数据的上限位置，这个时候limit = capacity读模式下：在Buffer完成所有数据写入后，通过调用flip()方法，切换到读模式，此时limit等于Buffer中实际已经写入的数据大小。因为Buffer可能没有被写满，所以limit<=capacity

  • position属性：代表读取或者写入Buffer的位置。默认为0。

    • 写模式下：每往Buffer中写入一个值，position就会自动加1，代表下一次写入的位置。

    • 读模式下：每往Buffer中读取一个值，position就自动加1，代表下一次读取的位置。

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从上图就能很清晰看出，读写模式下capacity、limit、position的关系了。

  • mark属性：代表标记，通过mark()方法，记录当前position值，将position值赋值给mark，在后续的写入或读取过程中，可以通过reset()方法恢复当前position为mark记录的值。

创建buffer

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello world".getBytes());

3. Selector

Selector是NIO中最为重要的组件之一，我们常常说的多路复用器就是指的Selector组件。Selector组件用于轮询一个或多个NIO Channel的状态是否处于可读、可写。通过轮询的机制就可以管理多个Channel，也就是说可以管理多个网络连接。

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轮询机制

  1. 首先，需要将Channel注册到Selector上，这样Selector才知道需要管理哪些Channel

  2. 接着Selector会不断轮询其上注册的Channel，如果某个Channel发生了读或写的时间，这个Channel就会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪的Channel集合，进行后续的IO操作。

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1.创建Selector  

Selector selector = Selector.open();

2.注册Channel到Selector中

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

  • Connect事件 ：连接完成事件( TCP 连接 )，仅适用于客户端，对应 SelectionKey.OP_CONNECT。

  • Accept事件 ：接受新连接事件，仅适用于服务端，对应 SelectionKey.OP_ACCEPT 。

  • Read事件 ：读事件，适用于两端，对应 SelectionKey.OP_READ ，表示 Buffer 可读。

  • Write事件 ：写时间，适用于两端，对应 SelectionKey.OP_WRITE ，表示 Buffer 可写。

4.总结

回顾一下使用 NIO 开发服务端程序的步骤：

  1. 创建 ServerSocketChannel 和业务处理线程池。

  2. 绑定监听端口，并配置为非阻塞模式。

  3. 创建 Selector，将之前创建的 ServerSocketChannel 注册到 Selector 上，监听 SelectionKey.OP_ACCEPT。

  4. 循环执行 Selector.select() 方法，轮询就绪的Channel`。

  5. 轮询就绪的 Channel 时，如果是处于 OP_ACCEPT 状态，说明是新的客户端接入，调用 ServerSocketChannel.accept 接收新的客户端。

  6. 设置新接入的 SocketChannel 为非阻塞模式，并注册到 Selector 上，监听 OP_READ。

  7. 如果轮询的 Channel 状态是 OP_READ，说明有新的就绪数据包需要读取，则构造 ByteBuffer 对象，读取数据。

NIO 原生 API 的弊端 :

① NIO 组件复杂 : 使用原生 NIO 开发服务器端与客户端 , 需要涉及到 服务器套接字通道 ( ServerSocketChannel ) , 套接字通道 ( SocketChannel ) , 选择器 ( Selector ) , 缓冲区 ( ByteBuffer ) 等组件 , 这些组件的原理 和API 都要熟悉 , 才能进行 NIO 的开发与调试 , 之后还需要针对应用进行调试优化

② NIO 开发基础 : NIO 门槛略高 , 需要开发者掌握多线程、网络编程等才能开发并且优化 NIO 网络通信的应用程序

③ 原生 API 开发网络通信模块的基本的传输处理 : 网络传输不光是实现服务器端和客户端的数据传输功能 , 还要处理各种异常情况 , 如 连接断开重连机制 , 网络堵塞处理 , 异常处理 , 粘包处理 , 拆包处理 , 缓存机制 等方面的问题 , 这是所有成熟的网络应用程序都要具有的功能 , 否则只能说是入门级的 Demo

④ NIO BUG : NIO 本身存在一些 BUG , 如 Epoll , 导致 选择器 ( Selector ) 空轮询 , 在 JDK 1.7 中还没有解决

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