1. NIO類庫簡介

1.1 緩沖區(qū)Buffer

Buffer是一個對象，它包含了一些要寫入或者要讀出的數(shù)據。在NIO類庫中加入Buffer對象，體現(xiàn)了新庫和原來I/O的一個重要區(qū)別。在NIO庫中，所有的數(shù)據都是用緩沖區(qū)處理的。在讀取數(shù)據時，它是直接讀取到緩沖區(qū)中的；在寫入到緩沖區(qū)時。任何時候訪問NIO中的數(shù)據，都是通過緩沖區(qū)進行操作。

緩沖區(qū)實質上是一個數(shù)組。通常它是一個字節(jié)數(shù)據（ByteBuffer），也可以使用其他種類的數(shù)組。但是一個緩沖區(qū)不僅僅是一個數(shù)組，緩沖區(qū)還提供了對數(shù)據的結構化訪問以及維護讀寫位置（limit）等信息。

• ByteBuffer:字節(jié)緩沖區(qū)
• CharBuffer：字符緩沖區(qū)
• ShortBuffer：短整形緩沖區(qū)
• IntBuffer：整形緩沖區(qū)
• LongBuffer：長整形緩沖區(qū)
• FloatBuffer：浮點型緩沖區(qū)
• DoubleBuffer：雙精度浮點型緩沖區(qū)

緩沖區(qū)的繼承關系如下：

1.2 通道Channel

Channel是一個通道，它就像自來水管道一樣，網絡數(shù)據通過Channel讀取和寫入。通道與流不同之處在于通道它是雙向的，流只是在一個方向上移動（一個流必須是InputStream或者OutputStream的子類），而通道可以用于讀、寫或者二者同時進行。因為Channel是全雙工的，所以它可以比流更加映射底層操作系統(tǒng)地API。從類圖中可以看出，實際上Channel可以分為兩大類：用于網絡讀寫的SelectabaleChannel和用于文件操作的FileChannel。ServerSocketChannel是一個可以監(jiān)聽新進來的TCP連接的通道，就像標準IO中的ServerSocket一樣。

1.3 多路復用器Selector

Select會不斷地輪詢注冊在其上的Channel，如果某個Channel上面發(fā)生讀或者寫事件，這個Channel就處于就緒狀態(tài)，會被Selector輪詢出來，然后通過SelectionKey可以獲取就緒Channel集合，進行后續(xù)的I/O操作。一個多路復用器Selector可以同時輪詢多個Channel，由于JDK使用了epoll()代替?zhèn)鹘y(tǒng)的select實現(xiàn)，所以它并沒有最大連接句柄1024/2048的輪詢，就可以接入成千上萬的客戶端。

2. NIO服務端序列圖

一。 打開ServerSocketChannel，用于監(jiān)聽客戶端的連接。

ServerSocketChannel servChannel=ServerSocketChannel.open();

二。綁定監(jiān)聽端口，設置連接為非阻塞狀態(tài)。

servChannel.configureBlocking(false); servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);

三。創(chuàng)建Reactor線程，創(chuàng)建多路復用器并啟動線程。

Selector selector = Selector.open();

四。將ServerSocketChannel注冊到Reactor線程的多路復用器Selector上，監(jiān)聽ACCEPT事件

servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

五。多路復用器在線程run方法的無線循環(huán)體內輪詢準備就緒的Key。

while (!stop) {try {selector.select(1000);Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();SelectionKey key = null;while (it.hasNext()) {key = it.next();it.remove();try {handleInput(key);} catch (Exception e) {if (key != null) {key.cancel();if (key.channel() != null)key.channel().close();}}}} catch (Throwable t) {t.printStackTrace();}}

六。多路復用器監(jiān)聽到有新的客戶端接入，處理新的接入請求，完成TCP三次握手，建立物理鏈路。

if (key.isAcceptable()) {// Accept the new connectionServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = ssc.accept(); }

七。設置客戶端鏈路為非阻塞模式

sc.configureBlocking(false);

八。將接入的客戶端連接注冊到Reactor線程的多路復用器上，監(jiān)聽讀操作，讀取客戶端發(fā)送的網絡消息。

sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

九。異步讀取客戶端請求消息到緩沖區(qū)。

if (key.isReadable()) {// Read the dataSocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);int readBytes = sc.read(readBuffer);.....}

十。對ByteBuffer進行編碼解碼，如果有半包消息指針reset，繼續(xù)讀取后續(xù)的報文，將解碼成功的消息封裝成Task，投遞到業(yè)務線程池中，進行業(yè)務邏輯編排。

Object message=null; while(buffer.hasRemain()){bytebuffer.mark();Object message=decode(byteBuffer);if(message==null){byteBufer.reset();break;}messageList.add(message); } if(!bytebuffer.hasRemain()){byteBuffer.clear(); }elsebyteBuffer.compact();if(messageList!=null & !messageList.isEmpty()){for(Obbject messageE:messagList){handlerTask(messageE)} }

十一。將POJO對象encode成ByteBuffer，調用SocketChannel的異步write接口，將消息異步發(fā)送給客戶端。

socketChannel.write(buffer).

3. NIO客戶端序列圖

一。打開SocketChannel，綁定客戶端本地地址。

SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

二。設置SocketChannel為非阻塞模式，同時設置客戶端連接的TCP參數(shù)。

socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.socket().setReuseAddress(true);

三。異步連接服務器。判斷是否連接成功，如果連接成功，則直接注冊讀取狀態(tài)到多路復用器中，如果當前沒有連接成功，則向Reactor的多路復用器注冊OP_CONNECT狀態(tài)為，監(jiān)聽服務器端的TCP ACK應答。

// 如果直接連接成功，則注冊到多路復用器上，發(fā)送請求消息，讀應答if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);doWrite(socketChannel);} elsesocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

四。創(chuàng)建Reactor線程，創(chuàng)建多路復用器并啟動線程。

Selector selector = Selector.open();

五。多路復用器在線程run方法的無線循環(huán)體內輪詢準備就緒的Key。

while (!stop) {try {selector.select(1000);Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();SelectionKey key = null;while (it.hasNext()) {key = it.next();it.remove();try {handleInput(key);} catch (Exception e) {if (key != null) {key.cancel();if (key.channel() != null)key.channel().close();}}}} catch (Throwable t) {t.printStackTrace();}}六。接受connect事件處理。判斷連接結果，如果連接成功，注冊連接事件到多路復用器。注冊讀事件到多路復用器中。 ```java if (key.isConnectable()) {if (sc.finishConnect()) {sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);doWrite(sc);} elseSystem.exit(1);// 連接失敗，進程退出}

七。異步讀取客戶端請求消息到緩沖區(qū)。

if (key.isReadable()) {// Read the dataSocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);int readBytes = sc.read(readBuffer);.....}

八。對ByteBuffer進行編碼解碼，如果有半包消息指針reset，繼續(xù)讀取后續(xù)的報文，將解碼成功的消息封裝成Task，投遞到業(yè)務線程池中，進行業(yè)務邏輯編排。

Object message=null; while(buffer.hasRemain()){bytebuffer.mark();Object message=decode(byteBuffer);if(message==null){byteBufer.reset();break;}messageList.add(message); } if(!bytebuffer.hasRemain()){byteBuffer.clear(); }elsebyteBuffer.compact();if(messageList!=null & !messageList.isEmpty()){for(Obbject messageE:messagList){handlerTask(messageE)} }

九。將POJO對象encode成ByteBuffer，調用SocketChannel的異步write接口，將消息異步發(fā)送給客戶端。

socketChannel.write(buffer).

4. 總結

通過源碼分析，我們發(fā)現(xiàn)NIO編程的難度確實比同步阻塞BIO的大很多，我們的NIO程序中還沒有考慮“半包讀”和“半包寫”，如果加上這些，代碼會更加復雜。使用NIO編程的優(yōu)點如下：

• 客戶端發(fā)起連接的操作是異步的，可以通過多路復用器注冊OP_CONNECT等待后續(xù)結果，不需要像之前的客戶端那樣被同步阻塞。
• SocketChannel的讀寫操作是異步的，如果沒有可讀寫的數(shù)據它不會等待，直接返回，這樣I/O通信線程就可以處理其他鏈路，不需要同步等待這個鏈路可用。
• 線程模型的優(yōu)化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系統(tǒng)上通過epoll實現(xiàn)，它沒有連接句柄的限制。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的NIO详解（四）：NIO编程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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