Java NIO的工作方式
NIO的工作机制
为了了解NIO，我们先看一下NIO的相关类图，如下图所示：
上图中有两个关键类Channel和Selector，他们是Java NIO的核心。举个例子，我们把Channel比作高铁，则Selector就是高铁的调度系统，负责监控每列高铁的运行状态，是出站还是在路上，也就是说Selector可以轮询Channel的状态。还有一个Buffer类，可以将它比作高铁上的座位，至于是一等座还是二等座我们不得而知。了解了上面的例子，我们具体看一下NIO是如何工作的，下面是一段典型的NIO代码：
public void selector() throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//设置非阻塞方式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(80));
//注册监听事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> its = keys.iterator();
while(its.hasNext()){
SelectionKey selectionKey = its.next();
if((selectionKey.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) ==SelectionKey.OP_ACCEPT){
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
//接收到请求
SocketChannel socketChannel = channel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
its.remove();
}else if((selectionKey.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) ==SelectionKey.OP_READ){
SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
while(true){
buffer.clear();
int n = sc.read(buffer);
if(n<=0){
break;
}
buffer.flip();
}
its.remove();
}
}
}
}
调用Selector的静态方法创建一个Selector，创建一个服务端的Channel绑定到Socket对象上，把这个通信信道注册到选择器上并设置为非阻塞模式。然后调用Selector的selectedKeys方法检查注册到选择器上的所有通信信道是否有感兴趣的事件发生。如果有事件发生则返回所有的SelectionKey，通过SelectionKey的channel方法可以取得通信信道，从而读取通信数据。
上图描述了基于NIO的Socket请求处理过程。Selector可以同时监听一组通信信道上的IO状态，前提是这些通信信道已经注册到Selector上。Selector可以调用select方法检查通信信道上的IO是否已经准备好，如果监听的所有通信信道上没有状态变化，那么select方法会阻塞或则超时返回0。如果有多个通信信道有数据，则把这些数据分配到对应的Buffer中。所以关键的地方是，有一个线程处理所有链接的数据交互，每个链接的数据交互都不是阻塞的，所以可以同事处理大量的请求。
Buffer的工作方式
可以把Buffer理解为一组基本数据类型的元素列表 ，它通过几个变量保存这些数据的当前位置状态，也就是有四个索引。
- capacity：缓存区数据的总长度
- position：下一个要操作的元素的位置
- limit：缓存区中不可操作的下一个元素的位置limit<=capacity
- mark：用于记录当前position的前一个位置或则默认是0
他们的关系如下图：
我们通过ByteBuffer.allocate(11)创建一个11个字节的数组缓存区，出事状态下position为0，capacity和limit都是默认长度，如上图。
当我们向Buffer中添加五个元素后，position的值变为5，而limit和capacity的值不变，如下图：
当我们调用buffer.flip()方法后，position变为0，limit变为5，capacity不变，如下图：这时候底层操作系统就可以从Buffer中读取5个字节并发射出去。
当下一次写数据之前，调用clear方法，缓冲区的索引状态又回到初始状态。当我们调用mark()方法的时候，他将记录当前position的前一个位置，调用reset后，position将恢复mark记录下的位置。
有一点需要说明，通过Channel获取的IO数据首先要经过操作系统的Socket缓冲区，再将数据复制到Buffer中，这个操作系统缓冲区就是TCP关联的RECEQ和SENDQ队列，从操作系统缓冲区到用户缓冲区的数据复制比较耗性能，BUffer提供了一种直接操作操作系统缓冲区的方式ByteBuffer.allocateDirect，这个方法返回的DirectByteBuffer就是关联的底层操作系统缓冲区，他通过Native代码操作非JVM堆的内存空间，每次的创建和释放都调用System.gc，容易引起JVM内存泄露问题。
NIO数据访问方式
NIO提供过了比传统的文件访问方式更好的文件访问方式
- FileChannel.transferFrom,FileChannel.transferTo
- FileChannel.map
FileChannel.transferXXX
FileChannel.transferXXX相比传统方法可以减少从内核到用户空间的复制，数据直接在内核中移动，在Ｌｉｎｕｘ中使用的是sendfile系统调用。
FileChannel.map
FileChannel.map按照一定的大小块把文件映射为内存区域，程序访问内存区域的时候，直接访问文件系统，这种方式省去了从内核空间到用户空间的复制的损耗，适合对大文件的只读操作。但是这种方式与操作系统的底层实现有关。
