了解NIO

NIO 基础

non-blocking io 非阻塞 IO

三大组件

1.1 Channel & Buffer

channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层

常见的 Channel 有：

• FileChannel
• DatagramChannel（UDP传输通道）
• SocketChannel（TCP传输通道，客户端和服务器端都可用）
• ServerSocketChannel（TCP传输通道，主要作用域服务器传输）

buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有：

• ByteBuffer（作用字节缓冲，是个抽象类）
  • MappedByteBuffer
  • DirectByteBuffer
  • HeapByteBuffer
• ShortBuffer（以下都是作用不同数据类型的缓冲区）
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• CharBuffer

1.2 Selector

selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途

多线程版设计

最早开发服务器采用的就算多线程版本，如下原理：

一个线程执行一个连接，占用内存太大

⚠️ 多线程版缺点

• 内存占用高
• 线程上下文切换成本高
  （解释：都说线程越多越好，线程多效率就高。但是线程多主要看cpu核心数，如果cpu核心不多，导致线程一样回阻塞，并且一直在切换线程，一直要记录线程的状态，不停的切换，也就是上下文切换，成本很高）
• 只适合连接数少的场景

线程池版设计

尽管使用线程池，同一时间也只能处理一个连接，要把这个连接处理完以后，才能切换另一个请求去处理。

⚠️ 线程池版缺点

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接
• 仅适合短连接场景

selector 版设计

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

2. ByteBuffer

有一普通文本文件 data.txt，放在项目根目录下，内容为

1234567890abcd

maven依赖：

<dependencies>
        <dependency>
            <groupId>io.netty</groupId>
            <artifactId>netty-all</artifactId>
            <version>4.1.39.Final</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok-maven-plugin</artifactId>
            <version>1.18.12.0</version>
            <scope>provided</scope>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>com.google.code.gson</groupId>
            <artifactId>gson</artifactId>
            <version>2.8.5</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.google.guava</groupId>
            <artifactId>guava</artifactId>
            <version>19.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>ch.qos.logback</groupId>
            <artifactId>logback-classic</artifactId>
            <version>1.2.3</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.google.protobuf</groupId>
            <artifactId>protobuf-java</artifactId>
            <version>3.11.3</version>
        </dependency>
    </dependencies>

使用 FileChannel 来读取文件内容

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

@Slf4j
public class TestByffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 读取文件使用FileChannel
        try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
            // 准备缓存区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            while (true){   // 因为缓冲区大小为10，不可能一次就能读完数据，所以要循环去读
                // 从channel读数据，写到buffer
                int len = channel.read(buffer);     // 返回值是读到的字节数，如果是-1，就表示没有读到数据了
                log.debug("读取到的字节数 {}"+len);
                if (len == -1){
                    break;
                }
                // 切换buffer读模式
                buffer.flip();
                // 打印buffer内容
                while (buffer.hasRemaining()) {     // 判断有数据就循环打印
                    byte b = buffer.get();
                    log.debug("实际字节 {}"+ (char) b);   // 字节强转字符
                }
                // 每次读完数据以后，切换为写模式
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

日志配置文件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
        xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">
    <!-- 输出控制，格式控制-->
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%-5level] [%thread] %logger{17} - %m%n </pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <!--<appender name="FILE" class="ch.qos.logback.core.rolling.RollingFileAppender">
        &lt;!&ndash; 日志文件名称 &ndash;&gt;
        <file>logFile.log</file>
        <rollingPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.TimeBasedRollingPolicy">
            &lt;!&ndash; 每天产生一个新的日志文件 &ndash;&gt;
            <fileNamePattern>logFile.%d{yyyy-MM-dd}.log</fileNamePattern>
            &lt;!&ndash; 保留 15 天的日志 &ndash;&gt;
            <maxHistory>15</maxHistory>
        </rollingPolicy>
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%-5level] [%thread] %logger{17} - %m%n </pattern>
        </encoder>
    </appender>-->

    <!-- 用来控制查看那个类的日志内容（对mybatis name 代表命名空间） -->
    <logger name="com.biao" level="DEBUG" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>

    <logger name="io.netty.handler.logging.LoggingHandler" level="DEBUG" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>

    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

输出

10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：10
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：4
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1

2.1 ByteBuffer 正确使用姿势

结合着上面的那个实例更方便理解：

1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
2. 调用 flip() 切换至读模式
3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
5. 重复 1~4 步骤

2.2 ByteBuffer 结构

ByteBuffer 有以下重要属性

• capacity 代表buffer的容量，能装多少数据
• position 读写指针，读到哪了，写到哪了
• limit 读写限制，读写多少个字节

一开始

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制
表示读的一次数据读到哪里，就定位到哪里，限制住最多只能写到那里的下标指针位置

读取 4 个字节后，状态

clear 动作发生后，状态
切换为写模式，position就回到0的位置重新开始写

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，limit也会移到最后，然后切换至写模式

💡 调试工具类

这个类是工具类，可以直接复制到需要使用的地方

import io.netty.util.internal.StringUtil;

import java.nio.ByteBuffer;

import static io.netty.util.internal.MathUtil.isOutOfBounds;
import static io.netty.util.internal.StringUtil.NEWLINE;

public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        buffer.put(new byte[]{97, 98, 99, 100});
        debugAll(buffer);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}

使用工具类：

import java.nio.ByteBuffer;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

public class TestByteBufferReadWrite {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

        buffer.put((byte) 0x61);  // a，16进制的
        debugAll(buffer);

        buffer.put(new byte[]{0x62, 0x63, 0x64}); // b  c  d
        debugAll(buffer);
        // 这个时候position在d位置，使用get()方法就获取下一个位置的值了，也就是0，所以必须使用flip方法
//        System.out.println(buffer.get());
        buffer.flip();
        System.out.println(buffer.get());   // 读的是十进制的a，97
        debugAll(buffer);

        // a 已经读出去了，使用compact()方法，会把数据往前移，也就是说目前剩下3个数据
        buffer.compact();
        // 虽然看到下表第4个还有d的值，但是position的值显示是3，下次如果加入数据，就会把d位置给覆盖掉了
        debugAll(buffer);   

        // 加入两个值：e，f
        buffer.put(new byte[]{0x65, 0x66});
        debugAll(buffer);
    }
}

输出：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 00 00 00 00 00 00 00 00 00                   |a.........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00                   |abcd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
97
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [4]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00                   |abcd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [3], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 62 63 64 64 00 00 00 00 00 00                   |bcdd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 62 63 64 65 66 00 00 00 00 00                   |bcdef.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

2.3 ByteBuffer 常见方法

分配空间

可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);

实例：

public class TestByteBufferAllocate {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ByteBuffer.allocate(16).getClass());
        System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(16).getClass());
        /*
        class java.nio.HeapByteBuffer    - 使用的是java 堆内存，读写效率较低，受到 GC 的影响，（数据搬迁）
        class java.nio.DirectByteBuffer  - 使用直接系统内存，读写效率高（少一次拷贝），不会受 GC 影响，分配的效率低
		
		因为堆内存在遇到GC垃圾回收时，要使堆的内存空间效率高，就会压缩，数据就会被迁移到其他地方，使用的时候再拿出来
         */
    }
}

向 buffer 写入数据

有两种办法

• 调用 channel 的 read 方法
• 调用 buffer 自己的 put 方法

int readBytes = channel.read(buf);

和

buf.put((byte)127);

从 buffer 读取数据

同样有两种办法

• 调用 channel 的 write 方法
• 调用 buffer 自己的 get 方法

int writeBytes = channel.write(buf);

和

byte b = buf.get();

get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据，使用这两种方法：

• 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
• 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针

mark 和 reset

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

注意

rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

测试代码:

import java.nio.ByteBuffer;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

public class TestByteBufferRead {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
        buffer.flip();

        buffer.get(new byte[4]);
        debugAll(buffer);   // 数据读取完了

        // rewind 从头开始重新读
        buffer.rewind();
        System.out.println((char) buffer.get());    // 还是可以读到第一

        // mark 和 reset
        // mark 做一个标记，记录position位置，reset 是把position 重置到mark位置
        System.out.println((char) buffer.get());
        // 读到b 的位置，加标记
        buffer.mark();
        System.out.println((char) buffer.get());
        System.out.println((char) buffer.get());
        // 读到d 的位置，把position 重置到b 的位置，索引2 的位置
        buffer.reset();
        System.out.println((char) buffer.get());    // 从b 的位置又开始读
        System.out.println((char) buffer.get());

        // get(i) 方法，直接获取指定索引的位置
        System.out.println((char) buffer.get(3));   // 读索引3 的位置，也就是d
    }
}

运行代码测试

08:48:40.779 [main] DEBUG io.netty.util.internal.logging.InternalLoggerFactory - Using SLF4J as the default logging framework
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [4]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00                   |abcd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
a
b
c
d
c
d
d

BUILD SUCCESSFUL in 18s

字符串与 ByteBuffer 互转

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

public class TestByteBufferString {
    public static void main(String[] args) {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

        // 第一种：字符串转ByteBuffer
        buffer.put("hello".getBytes());     // 变成字节数组，写入到buffer
        debugAll(buffer);

        // 第二种：使用Charset 字符集转换，可以自动切换读模式，看position 的值
        ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        debugAll(buffer2);

        // 第三种：wrap     也可以自动切换读模式，看position 的值
        ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        debugAll(buffer3);

        // 转字符串
        String s2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
        System.out.println(s2);

        // 如果使用buffer转换为字符串，必须切换为读模式才可以转成功
        buffer.flip();
        String s = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
        System.out.println(s);
    }
}

输出

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [16]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
hello

Process finished with exit code 0

⚠️ Buffer 的线程安全

Buffer 是非线程安全的

2.4 （分散）Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件 words.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer

import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

import static com.biao.demo.util.ByteBufferUtil.debugAll;

public class TestScatteringReads {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words.txt", "r").getChannel()) {
            ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);
            ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);
            ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);
            channel.read(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
            b1.flip();
            b2.flip();
            b3.flip();
            debugAll(b1);
            debugAll(b2);
            debugAll(b3);
        } catch (IOException e) {
        }
    }
}

结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6f 6e 65                                        |one             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 77 6f                                        |two             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 72 65 65                                  |three           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

2.5 （汇集）Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel

import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class TestGatheringWrites {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");
        ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");

        try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {
            channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
        } catch (IOException e) {
        }
    }
}

运行程序完以后，项目根目录多出来一个words2.txt文件：

2.6 练习

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为

• Hello,world\n
• I'm zhangsan\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)

• Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
• w are you?\n

现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据

import java.nio.ByteBuffer;

import static com.biao.demo.util.ByteBufferUtil.debugAll;

public class TestByteBufferExam {
    public static void main(String[] args) {
         /*
         网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
         但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为
             Hello,world\n
             I'm zhangsan\n
             How are you?\n
         变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)
             Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
             w are you?\n
         现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据
         */
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
        source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
        split(source);
        source.put("w are you?\n".getBytes());
        split(source);
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
        source.flip();
        //                  buffer大小
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            // 找到一条完整消息
            if (source.get(i) == '\n') {    // 找到字符是\n的时候
				// 指针位置，用来定义buffer大小，如果是第二段，第一段是已经读出buffer了，position 会移到‘\n’ 索引的位置
                int length = i + 1 - source.position();     
                // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，向 target 写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    target.put(source.get());       // get()方法依次获取到该buffer的值
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        source.compact();
    }
}

打印：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 0a             |Hello,world.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 27 6d 20 7a 68 61 6e 67 73 61 6e 0a          |I'm zhangsan.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 6f 77 20 61 72 65 20 79 6f 75 3f 0a          |How are you?.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

Process finished with exit code 0

3. 文件编程

3.1 FileChannel

⚠️ FileChannel 工作模式

FileChannel 只能工作在阻塞模式下

获取

不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法

• 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
• 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
• 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定（rw 表示可读可写）

读取

会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾

int readBytes = channel.read(buffer);

写入

写入的正确姿势如下， SocketChannel

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式

while(buffer.hasRemaining()) {	// 判断buffer是否还有数据
    channel.write(buffer);
}

在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel

关闭

channel 必须关闭，不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close 方法会间接地调用 channel 的 close 方法

位置

获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

long newPos = ...;
channel.position(newPos);

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

• 这时读取会返回 -1
• 这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）

大小

使用 size 方法获取文件的大小

强制写入

操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘

3.2 两个 Channel 传输数据

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class TestFileChannelTransferTo {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
                FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
        ) {
            // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化, 2g 数据
            from.transferTo(0, from.size(), to);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

执行完以后可以找到to.txt文件和data.txt内容一样给拷贝了

超过 2g 大小的文件传输

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class TestFileChannelTransferTo {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
                FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
        ) {
            // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化, 2g 数据
            long size = from.size();
            // left 变量代表还剩余多少字节
            for (long left = size; left > 0; ) {
                System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

如果实际传输一个超大文件：

position:0 left:7769948160
position:2147483647 left:5622464513
position:4294967294 left:3474980866
position:6442450941 left:1327497219

3.3 Path

jdk7 引入了 Path 和 Paths 类

• Path 用来表示文件路径
• Paths 是工具类，用来获取 Path 实例

Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt

Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了  d:\1.txt

Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了  d:\1.txt

Path projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了  d:\data\projects

• . 代表了当前路径
• .. 代表了上一级路径

例如目录结构如下

d:
	|- data
		|- projects
			|- a
			|- b

代码

Path path = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
System.out.println(path);
System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径

会输出

d:\data\projects\a\..\b
d:\data\projects\b

3.4 Files

检查文件是否存在

Path path = Paths.get("data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建一级目录

Path path = Paths.get("d1");
Files.createDirectory(path);

• 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException
• 不能一次创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException

创建多级目录用

Path path = Paths.get("d1/d2");
Files.createDirectories(path);

拷贝文件

Path source = Paths.get("data.txt");
Path target = Paths.get("target.txt");

Files.copy(source, target);

• 如果文件已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException

如果希望用 source 覆盖掉 target，需要用 StandardCopyOption 来控制

Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

移动文件

Path source = Paths.get("data.txt");
Path target = Paths.get("data.txt");

Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

• StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性

删除文件

Path target = Paths.get("target.txt");

Files.delete(target);

• 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException

删除目录

Path target = Paths.get("d1");

Files.delete(target);	// 只能删除空的目录，如果有文件是删不掉的

• 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历目录文件

public static void main(String[] args) throws IOException {
        AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
        AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91"), new SimpleFileVisitor<Path>(){
            @Override
            public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println("====>"+dir);
                dirCount.incrementAndGet();
                return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
            }

            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println(file);
                fileCount.incrementAndGet();
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        System.out.println("dir count:" +dirCount);
        System.out.println("file count:" +fileCount);
    }

统计 jar 的数目

public static void main(String[] args) throws IOException {
        AtomicInteger jarCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91"), new SimpleFileVisitor<Path>(){
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                if (file.toString().endsWith(".jar")) {
                    System.out.println(file);
                    jarCount.incrementAndGet();
                }
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        System.out.println("jar count:" +jarCount);
    }

删除多级目录

public static void main(String[] args) throws IOException {
//        Files.delete(Paths.get("D:\\Snipaste-1.16.2-x64 - 副本"));  // 目录不为空，报错
        Files.walkFileTree(Paths.get("D:\\Snipaste-1.16.2-x64 - 副本"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                Files.delete(file);
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
            @Override
            public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
                Files.delete(dir);
                return super.postVisitDirectory(dir, exc);
            }
        });
    }

⚠️ 删除很危险

删除是危险操作，确保要递归删除的文件夹没有重要内容

拷贝多级目录

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;

public class TestFilesCopy {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64";
        String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa";

        Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
            try {
                String targetName = path.toString().replace(source, target);
                // 是目录
                if (Files.isDirectory(path)) {
                    Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
                }
                // 是普通文件
                else if (Files.isRegularFile(path)) {
                    Files.copy(path, Paths.get(targetName));
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }
}

4. 网络编程

4.1 非阻塞 vs 阻塞

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
  • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
• 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
  • 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
  • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

服务器端

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugRead;

@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 使用nio 理解阻塞模式，单线程处理

        // 定义ByteBuffer 使用
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

        // 1. 创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        // 2. 绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 3. 建立连接的集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true){
            // 4.accept 等建立客户端连接，SocketChannel 用来和客户端通信
            log.debug("建立连接之前");
            SocketChannel sc = ssc.accept();    // 阻塞方法，线程停止运行
            log.debug("建立连接以后....{}",sc);
            channels.add(sc);
            // 5.连接客户端发送的数据
            channels.forEach(channel -> {
                try {
                    log.debug("开始读数据.....{}",channel);
                    channel.read(buffer);       // read() 也是阻塞方法，等待数据到来，没有数据就一直等着
                    // buffer切换读模式
                    buffer.flip();
                    debugRead(buffer);
                    // buffer切换写模式，就可以读取新的数据
                    buffer.clear();
                    log.debug("数据读取后....{}",channel);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        System.out.println("断点阻塞。。。");
    }
}

开始调试
启动服务端，再debug模式启动客户端，阻塞住了

服务器启动后，在accept() 方法阻塞，等待建立连接

debug模式启动客户端，可以看到连接建立，等待读写数据，在read() 方法阻塞住了

客户端写入一条数据

数据写入后，第一个连接在循环中执行完毕

如果想再发送一条数据，是发送不了的，因为线程循环到了下一个连接，但我还是在这个连接发送数据，所以已经接收不到了

如果想要接受这个"你好" 那就只能再运行一个客户端发送数据了

非阻塞

• 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
  • 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
  • SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
  • 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
• 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu
• 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）

服务器端：把.configureBlocking(false); 方法设置成false就可以非阻塞

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugRead;

@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 使用nio 理解阻塞模式，单线程处理

        // 定义ByteBuffer 使用
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);

        // 1. 创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);       // 默认是true，改为false 就算切换成了非阻塞模式
        // 2. 绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        // 3. 建立连接的集合
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true){
            // 4.accept 等建立客户端连接，SocketChannel 用来和客户端通信
            // 这个阻塞方法因为上面ServerSocketChannel 的.configureBlocking(false); 所以不会阻塞，线程还会运行
            SocketChannel sc = ssc.accept();    // 如果没有连接，返回为null值，线程继续往下跑
            if (sc != null){
                log.debug("建立连接以后....{}",sc);
                // SocketChannel 也设置成非阻塞模式，不然下面的read() 方法会阻塞
                sc.configureBlocking(false);
                channels.add(sc);
            }

            // 5.连接客户端发送的数据
            channels.forEach(channel -> {
                try {
                    // 因为上面的SocketChannel 的.configureBlocking(false); 也设置了非阻塞
                    // read() 也不会阻塞，线程一直往下执行
                    int read = channel.read(buffer);
                    if (read > 0){
                        // buffer切换读模式
                        buffer.flip();
                        debugRead(buffer);
                        // buffer切换写模式，就可以读取新的数据
                        buffer.clear();
                        log.debug("数据读取后....{}",channel);
                    }

                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

客户端代码

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        System.out.println("断点阻塞。。。");
    }
}

开始调试：
启动服务端后，debug模式启动客户端，可以看到我连续启动了3个客户端

先用第一个客户端线程发送消息

再用第二个客户端线程发送消息

如果客户端启动多个，要设置一下

如果出现提示，内容发生改变是否要重新加载，选 No

非阻塞模式虽然好，但是在没有连接请求过来的时候，它还是在这个while循环里一直跑，在正常工作中肯定不会这么用。
最好的模式肯定是，非阻塞模式下，连接发来请求时候再让线程去执行，没有请求过来时候不要一直跑。应该使用Selector

多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

• 多路复用仅针对网络 IO、普通文件 IO 没法利用多路复用
• 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证
  • 有可连接事件时才去连接
  • 有可读事件才去读取
  • 有可写事件才去写入
    • 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件

4.2 Selector

graph TD subgraph selector 版 thread --> selector selector --> c1(channel) selector --> c2(channel) selector --> c3(channel) end

好处

• 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
• 让这个线程能够被充分利用
• 节约了线程的数量
• 减少了线程上下文切换

就像上面的示例，不管有没有请求，线程都在循环里一直跑，应该是有请求才让线程去执行

创建

Selector selector = Selector.open();

绑定 Channel 事件

也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);

• channel 必须工作在非阻塞模式
• FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用
• 绑定的事件类型可以有
  • connect - 客户端连接成功时触发
  • accept - 服务器端成功接受连接时触发
  • read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
  • write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

监听 Channel 事件

可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件

方法1，阻塞直到绑定事件发生

int count = selector.select();

方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）

int count = selector.select(long timeout);

方法3，不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件

int count = selector.selectNow();

💡 select 何时不阻塞

• 事件发生时
  • 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
  • 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件
  • channel 可写，会触发 write 事件
  • 在 linux 下 nio bug 发生时
• 调用 selector.wakeup()
• 调用 selector.close()
• selector 所在线程 interrupt

4.3 处理 accept 事件

服务器端代码为

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugRead;

@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 1. 创建Selector，管理多个channel
        Selector selector = Selector.open();

        // 定义ByteBuffer 使用
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);

        // 2. 建立Selector 和 channel 的联系
        // 返回值SelectionKey 可以知道事件是和哪个channel 发生的
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // 让SelectionKey 关注accept 事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("注册的key：{}",sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true) {
            // 3. select 方法，没有事件发生，线程阻塞，有事件线程才会运行
            // selector 的事件发生后，要么处理，要么取消，不能不管，不然会一直循环，进行处理 或 取消，selector 才能知道
            selector.select();
            // 4. 处理事件，获取所有发生的事件的集合，本身是set集合，一定要用Iterator 接收，因为要有其他操作
            // selectedKeys() 在事件发生后，会在集合里添加key，但是不会删除key，所以事件处理后一定要收到把key删除
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                SelectionKey key = iterator.next();
                log.debug("key:{}",key);
                // key拿到以后， 从selectedKeys() 集合中删除，不然会报空指针
                iterator.remove();
                // 5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()){    // 如果是可执行事件
                    // 拿到触发事件的channel,强转成 ServerSocketChannel，然后掉用.accept(); 进行处理
                    // 如果事件没有调用.accept();处理，会一直循环，Selector 觉得事件没有处理，会把事件再一次加到事件集合里面，4处
                    // 所以事件一定要处理，不然Selector 就不会阻塞，一直循环
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    log.debug("ServerSocketChannel:{}",sc);

                    // 如果事件不需要处理，调用key的.cancel(); 方法，事件取消
//                key.cancel();

                    // SocketChannel 要设置成非阻塞，并且注册到Selector
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    // scKey 别忘了关注事件,要么读，要么写
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

                }else if (key.isReadable()){    // 如果是可写事件
                    try {
                        // 拿到触发事件的channel，强转成SocketChannel，因为发生读事件肯定是SocketChannel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        // 把读的内容放到byteBuffer 里
                        int read = channel.read(byteBuffer);
                        if (read == -1){    // 如果没有处理读事件的数据，就取消事件，避免一直selector循环
                            key.cancel();
                        }else {             // 有读数据，才进行读操作
                            byteBuffer.flip();
                            debugRead(byteBuffer);
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 如果处理读事件发生异常，比如客户端连接后直接断开，所以要处理异常
                        key.cancel();   // 把key取消，类似于从selectedKeys() 中删除，不然会一直循环报错信息
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端代码，debug模式启动

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        System.out.println("断点阻塞。。。");
    }
}

💡 事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

4.4 处理 read 事件

就算上面代码的else if() 的部分

客户端代码不变，debug模式启动就行
开启两个客户端，修改一下发送文字，输出

sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378]
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 77 6f 72 6c 64                                  |world           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

💡 为何要 iter.remove()

因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如

• 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
• 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常

根据上面代码测试，把调用.remove()； 方法去掉试试，发送数据就会空指针

💡 cancel 的作用

cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件

⚠️ 不处理边界的问题

以前有同学写过这样的代码，思考注释中两个问题，以 bio 为例，其实 nio 道理是一样的

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            Socket s = ss.accept();
            InputStream in = s.getInputStream();
            // 这里这么写，有没有问题
            byte[] arr = new byte[4];
            while(true) {
                int read = in.read(arr);
                // 这里这么写，有没有问题
                if(read == -1) {
                    break;
                }
                System.out.println(new String(arr, 0, read));
            }
        }
    }
}

客户端

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket max = new Socket("localhost", 9000);
        OutputStream out = max.getOutputStream();
        out.write("hello".getBytes());
        out.write("world".getBytes());
        out.write("你好".getBytes());
        max.close();
    }
}

输出

hell
owor
ld�
�好

为什么？
因为一个汉字是2个字节，但是buffer是设定的是4个字节，所以导致汉字读取的不完整，不够

处理消息的边界

• 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
• TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
  • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式

方案：绑定附件 和 扩容，如果后面用netty的话不用采用这种繁琐的方法

服务器端，以上面代码为例做修改

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 1. 创建Selector，管理多个channel
        Selector selector = Selector.open();

        // 定义ByteBuffer 使用
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);

        // 2. 建立Selector 和 channel 的联系
        // 返回值SelectionKey 可以知道事件是和哪个channel 发生的
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // 让SelectionKey 关注accept 事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("注册的key：{}", sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true) {
            // 3. select 方法，没有事件发生，线程阻塞，有事件线程才会运行
            // selector 的事件发生后，要么处理，要么取消，不能不管，不然会一直循环，进行处理 或 取消，selector 才能知道
            selector.select();
            // 4. 处理事件，获取所有发生的事件的集合，本身是set集合，一定要用Iterator 接收，因为要有其他操作
            // selectedKeys() 在事件发生后，会在集合里添加key，但是不会删除key，所以事件处理后一定要收到把key删除
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                log.debug("key:{}", key);
                // key拿到以后， 从selectedKeys() 集合中删除，不然会报空指针
                iterator.remove();
                // 5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) {    // 如果是可执行事件
                    // 拿到触发事件的channel,强转成 ServerSocketChannel，然后掉用.accept(); 进行处理
                    // 如果事件没有调用.accept();处理，会一直循环，Selector 觉得事件没有处理，会把事件再一次加到事件集合里面，4处
                    // 所以事件一定要处理，不然Selector 就不会阻塞，一直循环
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    log.debug("ServerSocketChannel:{}", sc);

                    // 如果事件不需要处理，调用key的.cancel(); 方法，事件取消
//                key.cancel();

                    // SocketChannel 要设置成非阻塞，并且注册到Selector
                    sc.configureBlocking(false);
                    ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(16);
                    // 把 ByteBuffer 作为附件关联到SocketChannel
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, b);
                    // scKey 别忘了关注事件,要么读，要么写
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

                } else if (key.isReadable()) {    // 如果是可写事件
                    try {
                        // 拿到触发事件的channel，强转成SocketChannel，因为发生读事件肯定是SocketChannel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        // 获取到SelectionKey的附件，返回强转为ByteBuffer，因为在上面是作为附件放到SocketChannel 了，所以可以强转
                        ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 把读的内容放到byteBuffer 里
                        int read = channel.read(byteBuffer);
                        if (read == -1) {    // 如果没有处理读事件的数据，就取消事件，避免一直selector循环
                            key.cancel();
                        } else {             // 有读数据，才进行读操作
                            split(byteBuffer);
                            // 判断扩容
                            // 如果byteBuffer的position 和 limit一样，说明一个也没读取到，说明buffer满了
                            if (byteBuffer.position() == byteBuffer.limit()) {
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(byteBuffer.capacity() * 2);
                                byteBuffer.flip();
                                newBuffer.put(byteBuffer);  // 旧的byteBuffer 放到新的newBuffer 里面
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 如果处理读事件发生异常，比如客户端连接后直接断开，所以要处理异常
                        key.cancel();   // 把key取消，类似于从selectedKeys() 中删除，不然会一直循环报错信息
                    }
                }
            }
        }
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            // 找到一条完整消息
            if (source.get(i) == '\n') {
                int length = i + 1 - source.position();
                // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 从 source 读，向 target 写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    target.put(source.get());
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        source.compact();
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        sc.getLocalAddress();
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcde3333\n"));
        System.in.read();   // 阻塞住
    }
}

测试可以读取长的数据：

ByteBuffer 大小分配

结合上面代码示例测试，方便理解

• 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
• ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
  • 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
  • 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗

4.5 处理 write 事件

一次无法写完例子

• 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）
• 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
  • 当消息处理器第一次写入消息时，才将 channel 注册到 selector 上
  • selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册
  • 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;

public class WriteServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);

        Selector selector = Selector.open();
        // Selector注册到 ServerSocketChannel，关注accept 事件
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));  // 监听端口

        while (true) {
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, null);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

                    // 准备给客户端发送大量数据
                    StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
                    for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
                        stringBuilder.append("a");
                    }
                    ByteBuffer byteBuffer = Charset.defaultCharset().encode(stringBuilder.toString());

                    // 返回的是实际写入的字节书
                    int write = sc.write(byteBuffer);
                    System.out.println(write);

                    if (byteBuffer.hasRemaining()) {  // 判断是否有剩余字节数
                        // 关注可写事件
                        sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                        // 把没有写完的数据挂到sckey
                        sckey.attach(byteBuffer);
                    }
                } else if (key.isWritable()) {
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    int write = channel.write(buffer);
                    System.out.println(write);
                    // 如果写完了
                    if (!buffer.hasRemaining()) {
                        key.attach(null);
                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class WirteClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));

        // 接收服务端数据
        int count = 0;
        while (true){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
            count += sc.read(buffer);
            System.out.println(count);
            buffer.clear();
        }
    }
}

运行代码测试

💡 write 为何要取消

只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注

4.6 更进一步 优化

💡 利用多线程优化

现在都是多核 cpu，设计时要充分考虑别让 cpu 的力量被白白浪费

前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核 cpu，如何改进呢？

分两组选择器

• 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件
• 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件

Boss 只负责接收连接，worker 只负责读写

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

@Slf4j
public class MultiThreadServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread.currentThread().setName("boss");
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 1. 创建固定数量的 worker 并初始化
        Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];  // 拿到cpu个数
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new Worker("worker-" + i);
        }
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();
        while (true) {
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.debug("建立连接...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // 2. 关联 selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // round robin 轮询
                    workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); // boss 调用 初始化 selector , 启动 worker-0
                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean start = true;

        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        // 初始化线程和selector
        public void register(SocketChannel socketChannel) throws IOException {
            if (start) {     // 保证这段代码只执行一遍
                selector = Selector.open();
                thread = new Thread(this, name);
                thread.start();
                start = false;
            }
            selector.wakeup();      // 唤醒selector
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        if (key.isReadable()) {  // 如果是可读事件
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("读到的数据：{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

客户端：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
        sc.getLocalAddress();
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef"));
        System.in.read();   // 阻塞住
    }
}

可以手动修改Worker 数量，运行多个客户端，测试轮询

💡 如何拿到 cpu 个数

• Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数
• 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启

4.7 UDP

• UDP 是无连接的，client 发送数据不会管 server 是否开启
• server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer，但如果数据报文超过 buffer 大小，多出来的数据会被默默抛弃

首先启动服务器端

public class UdpServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
            System.out.println("waiting...");
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
            channel.receive(buffer);
            buffer.flip();
            debug(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出

waiting...

运行客户端

public class UdpClient {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
            channel.send(buffer, address);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

接下来服务器端输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

5. NIO vs BIO

5.1 stream vs channel

• stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
• stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
• 二者均为全双工，即读写可以同时进行

5.2 IO 模型

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞

• 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段
• 复制数据阶段

• 阻塞 IO

一次请求，直到请求返回

多线程情况下的阻塞io问题：

• 非阻塞 IO

没有拿到数据就会一直循环接收数据，有数据了就处理事件返回
可以看成在复制数据阶段仍然是阻塞的

• 多路复用

刚开始调用select方法而不是read方法，没有事件就会阻塞，有事件才会向下执行，然后才read

多线程情况下的多路复用io模型：

• 信号驱动

• 异步 IO

异步至少需要两个线程，接收请求后，通过回调方法的参数得知是哪个线程，得到结果后，再把结果返回给用户

• 阻塞 IO vs 多路复用

阻塞io一次只处理一个事件，阻塞的模式，一个事件未处理完时，不可以处理其他事件

多路复用一次接收处理多个事件，然后一次把多个事件都给处理

🔖 参考

UNIX 网络编程 - 卷 I

5.3 零拷贝

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程是这样的：

1. java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu

   DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO

2. 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA

3. 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝

4. 接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到

• 只发生了一次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化（linux 2.4）

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
3. 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

5.3 AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

文件 AIO

先来看看 AsynchronousFileChannel

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;

import static com.biao.netty.util.ByteBufferUtil.debugAll;

@Slf4j
public class AioFileChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ)) {

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            log.debug("读取之前=====");
            // ButeBuffer、读取的起始位置、附件、回调对象
            channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                // read 成功就会执行
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("读取完成======");
                    attachment.flip();
                    debugAll(attachment);
                }

                // read 失败执行
                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
            log.debug("读取完成==========");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 让主线程阻塞住，不然上面的completed 是守护线程执行的，会直接关闭就没办法打印了
        System.in.read();
    }
}

输出

13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin...
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things...
13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed...2
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 0d                                           |a.              |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

可以看到

• 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5
• 主线程并没有 IO 操作阻塞

💡 守护线程

默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行 System.in.read() 以避免守护线程意外结束

网络 AIO

public class AioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
        System.in.read();
    }

    private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
        try {
            System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            sc.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            try {
                if (result == -1) {
                    closeChannel(sc);
                    return;
                }
                System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
                attachment.flip();
                System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
                attachment.clear();
                // 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件
                sc.read(attachment, attachment, this);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            closeChannel(sc);
            exc.printStackTrace();
        }
    }

    private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            // 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容
            if (attachment.hasRemaining()) {
                sc.write(attachment);
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            exc.printStackTrace();
            closeChannel(sc);
        }
    }

    private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
        private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;

        public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
            this.ssc = ssc;
        }

        @Override
        public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
            try {
                System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            // 读事件由 ReadHandler 处理
            sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
            // 写事件由 WriteHandler 处理
            sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
            // 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件
            ssc.accept(null, this);
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
            exc.printStackTrace();
        }
    }
}