NIO

1. 什么是NIO

IO回顾

  • IO：Input OutPut（输入 输出）
  • IO技术的作用：解决设备和设备之间的数据传输问题
  • IO的应用场景：图片上传、下载、打印机打印信息表、解析XML...

1.1 概念

  • 即 Java New IO
  • 是1个全新的、 JDK 1.4后提供的 IO API
  • Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO

1.2 作用

  • NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同
  • 可替代 标准Java IO 的IO API
  • IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。

1.3 流与块的比较

  • NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式。

  • IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。

面向流的IO一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节。

面向块的IO系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多

（举例：拿水龙头来比喻：流就像水龙头滴水，每次只有一滴；块就像水龙头往水壶放水，放满之后对一整个水壶的水进行操作）

1.4 新特性

对比于 Java IO，NIO具备的新特性如下：

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  • 可简单认为：IO是面向流的处理，NIO是面向块(缓冲区)的处理

    • 面向流的I/O 系统一次一个字节地处理数据
    • 一个面向块(缓冲区)的I/O系统以块的形式处理数据

1.5 核心组件

Java NIO的核心组件 包括：

  • 通道（Channel）
  • 缓冲区（Buffer）
  • 选择器（Selector）

在NIO中并不是以流的方式来处理数据的，而是以buffer缓冲区和Channel管道配合使用来处理数据。

Selector是因为NIO可以使用异步的非阻塞模式才加入的东西

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简单理解一下：

  • Channel管道比作成铁路，buffer缓冲区比作成火车(运载着货物)

​ 而我们的NIO就是通过Channel管道运输着存储数据的Buffer缓冲区的来实现数据的处理！

  • 要时刻记住：Channel不与数据打交道，它只负责运输数据。与数据打交道的是Buffer缓冲区

    • Channel-->运输
    • Buffer-->数据

相对于传统IO而言，流是单向的。对于NIO而言，有了Channel管道这个概念，我们的读写都是双向的(铁路上的火车能从广州去北京、自然就能从北京返还到广州)！

2. Buffer缓冲区

2.1 Buffer缓冲区概述

作用：缓冲区，用来存放具体要被传输的数据，比如文件、scoket 等。这里将数据装入 Buffer 再通过通道进行传输。

Buffer 就是一个数组，用来保存不同数据类型的数据

在 NIO 中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类 Buffer，最常用的就是 ByteBuffer，对于 Java 中的基本类型，基本都有一个具体 Buffer 类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示

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  • ByteBuffer：存储字节数据到缓冲区
  • ShortBuffer：存储字符串数据到缓冲区
  • CharBuffer： 存储字符数据到缓冲区
  • IntBuffer：存储整数数据到缓冲区
  • LongBuffer：存储长整型数据到缓冲区
  • DoubleBuffer：存储小数到缓冲区
  • FloatBuffer：存储小数到缓冲区

对于 Java 中的基本数据类型，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是ByteBuffer 类（二进制数据）

2.2 ByteBuffer的创建方式

代码演示

  • 在堆中创建缓冲区：allocate(int capacity)

  • 在系统内存创建缓冲区：allocateDirect(int capacity)

  • 通过普通数组创建缓冲区：wrap(byte[] arr)

import java.nio.ByteBuffer;

public class Demo01Buffer创建方式 {
    public static void main(String[] args) {
        //在堆中创建缓冲区：allocate(int capacity)*
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(10);

        //在系统内存创建缓冲区：allocateDirect(int capacity)
        ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocateDirect(10);

        //通过普通数组创建缓冲区：wrap(byte[] arr)
        byte[] arr = {97,98,99};
        ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap(arr);
    }
}

2.3 常用方法

拿到一个缓冲区我们往往会做什么？很简单，就是读取缓冲区的数据/写数据到缓冲区中。

所以，缓冲区的核心方法就是:

  • put(byte b) : 给数组添加元素
  • get() :获取一个元素
package com.lagou;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Arrays;

public class Demo02Buffer的方法 {
    
    public static void main(String[] args) {
	
    //创建对象
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

    //put(byte b) : 给数组添加元素
    buffer.put((byte)10);
    buffer.put((byte)20);
    buffer.put((byte)30);

    //把缓冲数组变成普通数组
    byte[] arr = buffer.array();

    //打印
    System.out.println(Arrays.toString(arr));

    //get() :获取一个元素
    byte b = buffer.get(1);
    System.out.println(b);   //20

	}
}

Buffer类维护了4个核心变量属性来提供关于其所包含的数组的信息。它们是：

  • 容量Capacity

    • 缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变。(不能被改变的原因也很简单，底层是数组嘛)

  • 界限Limit

    • 缓冲区中可以操作数据的大小，代表了当前缓冲区中一共有多少数据（从limit开始后面的位置不能操作）。

  • 位置Position

    • 下一个要被读或写的元素的位置。Position会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。

    • 以上三个属性值之间有一些相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity
例：- 如果我们创建一个新的容量大小为20 的 ByteBuffer 对象，在初始化的时候，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。

  • 标记Mark

    • 一个备忘位置。用于记录上一次读写的位置。

2.4 buffer代码演示

首先展示一下是创建缓冲区后，核心变量的值是怎么变化的

public static void main(String[] args) {

        // 创建一个缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 看一下初始时4个核心变量的值
        System.out.println("初始时-->limit--->"+byteBuffer.limit());
        System.out.println("初始时-->position--->"+byteBuffer.position());
        System.out.println("初始时-->capacity--->"+byteBuffer.capacity());
        System.out.println("初始时-->mark--->" + byteBuffer.mark());

        System.out.println("--------------------------------------");

        // 添加一些数据到缓冲区中
        String s = "JavaEE";
        byteBuffer.put(s.getBytes());

        // 看一下初始时4个核心变量的值
        System.out.println("put完之后-->limit--->"+byteBuffer.limit());
        System.out.println("put完之后-->position--->"+byteBuffer.position());
        System.out.println("put完之后-->capacity--->"+byteBuffer.capacity());
        System.out.println("put完之后-->mark--->" + byteBuffer.mark());
    }

运行结果：

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现在我想要从缓存区拿数据，怎么拿呀？？NIO给了我们一个flip()方法。这个方法可以改动position和limit的位置！

还是上面的代码，我们flip()一下后，再看看4个核心属性的值会发生什么变化：

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很明显的是：

  • limit变成了position的位置了
  • 而position变成了0

看到这里的同学可能就会想到了：当调用完filp()时：limit是限制读到哪里，而position是从哪里读

一般我们称filp()为“切换成读模式”

  • 每当要从缓存区的时候读取数据时，就调用filp()“切换成读模式”。

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切换成读模式之后，我们就可以读取缓冲区的数据了：

		// 创建一个limit()大小的字节数组(因为就只有limit这么多个数据可读)
        byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];

        // 将读取的数据装进我们的字节数组中
        byteBuffer.get(bytes);

        // 输出数据
        System.out.println(new String(bytes, 0, bytes.length));

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随后输出一下核心变量的值看看：

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读完我们还想写数据到缓冲区，那就使用clear()函数，这个函数会“清空”缓冲区：

  • 数据没有真正被清空，只是被遗忘掉了
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3.Channel通道

3.1 Channel通道概述

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义 的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。

Channel 类似于传统的“流”。

标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中（白话: 就是数据传输用的通道，作用是打开到IO设备的连接，文件、套接字都行）

例：相当于一根管子，buffer中的数据可以通过管子写入被操作的资源当中，也可以将资源通过管子写入到buffer中去

3.2 Channel API

Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下：

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  • FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
  • DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
  • SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

3.3 FileChannel基本使用

  • 使用FileChannel完成文件的复制
package com.lagou.buffer;

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

public class Channel完成文件复制 {
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //通道依赖于IO流
        // 输入流 
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("C:\\Users\\sunzh\\Desktop\\wxy.png");
        // 输出流
        FileOutputStream fileOutputStream = new 		FileOutputStream("C:\\Users\\sunzh\\Desktop\\lagou_myself\\nio\\复制.png");

        //使用流获取通道
        FileChannel f1 = fis.getChannel();
        FileChannel f2 = fos.getChannel();

        //创建缓冲数组
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        //循环
        while(f1.read(buffer) != -1){
            //切换读模式
            buffer.flip();
            //输出
            f2.write(buffer);
            //还原所有指针位置
            buffer.clear();
        }

        //关流
        fos.close();
        fis.close();
    }
}

3.4 网络编程收发信息

  • 客户端

    package com.lagou.buffer;

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

public class Demo客户端 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //创建客户端
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        //指定要连接的服务器ip和端口
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9000));

        //创建缓冲输出
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        //给数组添加数据
        buffer.put("哈哈哈".getBytes());

        //切换读模式
        buffer.flip();

        //输出数据
        sc.write(buffer);

        //关闭资源
        sc.close();
    }
}

  • 服务器端

    package com.lagou.buffer;

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

public class Demo服务端 {
    //阻塞的
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //创建服务端对象
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //绑定端口号
        ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));

        //连接客户端
        SocketChannel sc = ssc.accept();

        //创建缓冲数组
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        //读取数据
        int len = sc.read(buffer);

        //打印
        System.out.println(new String(buffer.array(),0,len));
    }
}

3.5 accept阻塞问题

  • 服务器端

    package com.lagou.buffer;

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

public class Demo服务端非阻塞 {
    //阻塞的
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        //创建服务端对象
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //绑定端口号
        ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));

        //设置非阻塞连接
        ssc.configureBlocking(false);

        while(true) {
            //连接客户端
            //如果连接成功就是sc对象,如果没有连接就是sc=null
            SocketChannel sc = ssc.accept();

            //判断
            if(sc != null) {
                //创建缓冲数组
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                //读取数据
                int len = sc.read(buffer);

                //打印
                System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));

                //结束循环
                break;
            }else{
                //没有客户访问
                //在这里可以写别的业务代码
                System.out.println("去忙点别的事儿...");
                Thread.sleep(3000);

            }
        }
    }
}

4.Selector选择器

3.1 多路复用的概念

​ 一个选择器可以同时监听多个服务器端口, 帮多个服务器端口同时等待客户端的访问

3.2 Selector的和Channel的关系

Channel和Buffer比较好理解 ，联系也比较密切，他们的关系简单来说就是：数据总是从通道中读到buffer缓冲区内，或者从buffer写入到通道中。

选择器和他们的关系又是什么？

选择器（Selector） 是 Channel（通道）的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 通道的 IO（输入输出） 状况。

Selector的作用是什么？

选择器提供选择执行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。Selector 允许单线程处理多个Channel。仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道，这样会大量的减少线程之间上下文切换的开销。

3.3 可选择通道(SelectableChannel)

注意：并不是所有的Channel，都是可以被Selector 复用的。比方说，FileChannel就不能被选择器复用。为什么呢？

判断一个Channel 能被Selector 复用，有一个前提：判断他是否继承了一个抽象类SelectableChannel。如果继承了SelectableChannel，则可以被复用，否则不能。

SelectableChannle 的结构如下图：

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SelectableChannel类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法

通道和选择器注册之后，他们是绑定的关系吗？

答:不是。不是一对一的关系。一个通道可以被注册到多个选择器上，但对每个选择器而言只能被注册一次。

通道和选择器之间的关系，使用注册的方式完成。SelectableChannel可以被注册到Selector对象上，在注册的时候，需要指定通道的哪些操作，是Selector感兴趣的。

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3.4 Channel注册到Selector

使用Channel.register（Selector sel，int ops）方法，将一个通道注册到一个选择器时。

​ 第一个参数：指定通道要注册的选择器是谁

​ 第二个参数：指定选择器需要查询的通道操作

可以供选择器查询的通道操作，从类型来分，包括以下四种：

​ （1）可读 : SelectionKey.OP_READ（读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据可以执行读操作）

​ （2）可写 : SelectionKey.OP_WRITE（写就绪事件，表示已经可以向通道写数据）

​ （3）连接 : SelectionKey.OP_CONNECT（连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功）

​ （4）接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （接收连接进行事件，表示服务器监听到客户连接，那么服务器可以接收这个连接）

如果Selector对通道的多操作类型感兴趣，可以用“位或”操作符来实现：int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

3.5 选择键(SelectionKey)

Channel和Selector的关系确定好后，并且一旦通道处于某种就绪的状态，就可以被选择器查询到。这个工作，使用选择器Selector的select（）方法完成。select方法的作用，对感兴趣的通道操作，进行就绪状态的查询。

Selector可以不断的查询Channel中发生的操作的就绪状态。并且挑选感兴趣的操作就绪状态。一旦通道有操作的就绪状态达成，并且是Selector感兴趣的操作，就会被Selector选中，放入选择键集合中。

select()			:选择器等待客户端连接的方法
					阻塞问题:
						1.在开始没有客户访问的时候是阻塞的
						2.在有客户来访问的时候方法会变成非阻塞的
						3.如果客户的访问被处理结束之后,又会恢复成阻塞的
						
selectedKeys()		:选择器会把被连接的服务端对象放在Set集合中,这个方法就是返回一个Set集合

3.6 Selector的使用流程

3.6.1 创建Selector

Selector对象是通过调用静态工厂方法open()来实例化的，如下：

 		 // 1、获取Selector选择器
            Selector selector = Selector.open();
3.6.2 将Channel注册到Selector

要实现Selector管理Channel，需要将channel注册到相应的Selector上，如下：

     		 // 2、获取通道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

            // 3.设置为非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);

            // 4、绑定连接
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));

            // 5、将通道注册到选择器上,并制定监听事件为：“接收”事件
            serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);

上面通过调用通道的register()方法会将它注册到一个选择器上。

首先需要注意的是：

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下，否则将抛出异常IllegalBlockingModeException

3.6.3 轮询查询就绪操作

万事俱备，下一步是查询就绪的操作。

通过Selector的 select() 方法，可以查询出已经就绪的通道操作，这些就绪的状态集合，包存在一个元素是SelectionKey对象的Set集合中。

select()方法返回的int值，表示有多少通道已经就绪

而一旦调用select()方法，并且返回值不为0时，下一步工干啥？

通过调用Selector的selectedKeys()方法来访问已选择键集合，然后迭代集合的每一个选择键元素，根据就绪操作的类型，完成对应的操作：

3.6.4 NIO 编程实例
客户端
 public static void main(String[] args) throws IOException {

        //创建客户端
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        //指定要连接的服务器ip和端口
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9000));

        //创建缓冲输出
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        //给数组添加数据
        buffer.put("拉勾教育".getBytes());

        //切换
        buffer.flip();

        //输出数据
        sc.write(buffer);

        //关闭资源
        sc.close();
    }
服务端
package com.lagou.selector;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Set;

public class Demo服务端 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务端对象
        ServerSocketChannel ssc1 = ServerSocketChannel.open();
        ssc1.bind(new InetSocketAddress(8000));
        //设置非阻塞
        ssc1.configureBlocking(false);

        //创建服务端对象
        ServerSocketChannel ssc2 = ServerSocketChannel.open();
        ssc2.bind(new InetSocketAddress(9000));
        ssc2.configureBlocking(false);

        //创建服务端对象
        ServerSocketChannel ssc3 = ServerSocketChannel.open();
        ssc3.bind(new InetSocketAddress(10001));
        ssc3.configureBlocking(false);

        //创建选择器对象
        Selector s = Selector.open();

        //两个服务器都要交给选择器来管理
        ssc1.register(s, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc2.register(s, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc3.register(s, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        //获取集合
        //selectedKeys() :返回集合,集合作用存放的是被连接的服务对象的key
        Set<SelectionKey> set = s.selectedKeys();

        System.out.println("集合中元素的个数: " + set.size());  //0(没有服务端被访问的时候显示0)

        //select():这是选择器连接客户端的方法
        s.select();

        System.out.println("集合中元素的个数: " + set.size());  //1(有一个服务端被访问的时候显示1)
    }
}

package com.lagou.selector;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

public class Selector服务端 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 1、获取Selector选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 2、获取通道
        ServerSocketChannel ssc1 = ServerSocketChannel.open();
        ServerSocketChannel ssc2 = ServerSocketChannel.open();
        ServerSocketChannel ssc3 = ServerSocketChannel.open();

        // 3.设置为非阻塞
        ssc1.configureBlocking(false);
        ssc2.configureBlocking(false);
        ssc3.configureBlocking(false);

        // 4、绑定连接
        ssc1.bind(new InetSocketAddress(8000));
        ssc2.bind(new InetSocketAddress(9000));
        ssc3.bind(new InetSocketAddress(10000));


        // 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为："接收"操作
        ssc1.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc2.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc3.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);


        // 6、采用轮询的方式，查询获取"准备就绪"的注册过的操作
        while (selector.select() > 0) {
            // 7、获取当前选择器中所有注册的选择键（“已经准备就绪的操作”）
            Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
            while (selectedKeys.hasNext()) {

                // 8、获取"准备就绪"的事件
                SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();

                // 9、获取ServerSocketChannel
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectedKey.channel();
                // 10、接受客户端发来的数据
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                // 11、读取数据
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int length = 0;
                    while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1) {
                        byteBuffer.flip();
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                        byteBuffer.clear();
                    }
                    socketChannel.close();
                }
                // 12、移除选择键
                selectedKeys.remove();
            }
        // 13、关闭连接
       	 ssc1.close();
       	 ssc2.close();
      	 ssc3.close();
        }

}

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