1.Java-IO演进之路
¶ 概念
¶ 必须明白的概念
¶ 阻塞block和非阻塞non-block
阻塞和非阻塞是进程在访问数据的时候，数据是否准备就绪的一种处理方式,当数据没有准备的时候。
阻塞：往往需要等待缓冲区中的数据准备好过后才处理其他的事情，否则一直等待在那里。
非阻塞:当我们的进程访问我们的数据缓冲区的时候，如果数据没有准备好则直接返回，不会等待。如果数据已经 准备好，也直接返回。
¶ 同步synchronization和异步asynchronous
同步和异步都是基于应用程序和操作系统处理 IO 事件所采用的方式。比如同步：是应用程序要直接参与 IO 读写 的操作。异步：所有的 IO 读写交给操作系统去处理，应用程序只需要等待通知。
同步方式在处理 IO 事件的时候，必须阻塞在某个方法上面等待我们的 IO 事件完成(阻塞 IO 事件或者通过轮询 IO 事件的方式),对于异步来说，所有的 IO 读写都交给了操作系统。这个时候，我们可以去做其他的事情，并不需要去完 成真正的 IO 操作，当操作完成 IO 后，会给我们的应用程序一个通知。
同步 : 阻塞到 IO 事件，阻塞到 read 或则 write。这个时候我们就完全不能做自己的事情。让读写方法加入到线 程里面，然后阻塞线程来实现，对线程的性能开销比较大。
¶ BIO 与 NIO 对比
¶ 面向流与面向缓冲
Java NIO 和 BIO 之间第一个最大的区别是，BIO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。 Java BIO 面向流意味着每 次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。 如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO 的缓冲导向方法略有不同。数据读取 到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是 否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的 数据。
¶ 阻塞与非阻塞
Java BIO 的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用 read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被 读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请 求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞， 所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到 某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它 通道上执行 IO 操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。
¶ 选择器的问世
Java NIO 的选择器(Selector)允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然 后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制， 使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
¶ 如何影响应用程序的设计
无论您选择 BIO 或 NIO 工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：
A.对 NIO 或 BIO 类的 API 调用。
B.数据处理逻辑。
C.用来处理数据的线程数。
[¶](#API 调用)1.API 调用
当然，使用 NIO 的 API 调用时看起来与使用 BIO 时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个 InputStream 逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。
¶ 2.数据处理
（Java BIO: 从一个阻塞的流中读数据） 而一个 NIO 的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buffer);
注意第二行，从通道读取字节到 ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。 你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能， 需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义.
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buffer);
while(!bufferFull(bytesRead)) {
bytesRead = inChannel.read(buffer);
}
bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。
bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在 bufferFull()方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的 数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。
如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。 但是许多情况下并非如此。
¶3.设置处理线程数
NIO 可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比 从一个阻塞流中读取数据更复杂。
如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现 NIO 的服 务器可能是一个优势。
Java NIO: 单线程管理多个连接
如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的 IO 服务器实现可能非常契合。下图说明了 一个典型的 IO 服务器设计.
Java BIO: 一个典型的 IO 服务器设计- 一个连接通过一个线程处理。
¶BIO
public class BIOServer {
ServerSocket serverSocket;
public BIOServer(int port) {
try {
serverSocket = new ServerSocket(port);
System.out.println("BIO服务已启动，监听端口是：" + port);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void listen() throws IOException {
while (true) {
// 等待客户端连接，阻塞方法
// Socket数据发送者在服务端的引用
Socket client = serverSocket.accept();
InputStream is = client.getInputStream();
// 网络的客户端把数据发送到网卡，机器所得到的数据读到JVM中
byte[] buff = new byte[1024];
int len = is.read(buff);
if (len > 0) {
String msg = new String(buff, 0, len);
System.out.println("收到" + msg);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
try {
new BIOServer(8080).listen();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class BIOClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 要和谁进行通信，IP:PORT
Socket client = new Socket("localhost", 8080);
// 不管是客户端还是服务端，都有可能write和read
OutputStream os = client.getOutputStream();
String name = UUID.randomUUID().toString();
System.out.println("客户端发送数据" + name);
os.write(name.getBytes());
os.close();
client.close();
}
}
¶NIO
public class NIOServer {
private int port = 8080;
// 准备两个东西
// 轮询器 Selector
private Selector selector;
// 缓冲区 Buffer
private ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 初始化完毕
public NIOServer(int port) {
// 初始化
try {
this.port = port;
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
// 告诉地址 ip:port
server.bind(new InetSocketAddress(this.port));
// BIO升级版本NIO NIO模型默认采用阻塞
server.configureBlocking(false);
selector = Selector.open();
// 开始接受消息
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void listen() {
System.out.println("listen on:" + this.port);
try {
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
// 不断的轮询
Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
// 同步体现在这里，因为每次只能处理一种状态
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
process(key);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 每一次轮询就是调用一次process方法，而每一次调用，都只能干一件事
private void process(SelectionKey key) throws IOException {
// 针对每种状态给一个反应
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 这个方法体现非阻塞，不管你数据有没有准备好，都要给我一个状态和反馈
SocketChannel channel = server.accept();
channel.configureBlocking(false);
// 当数据准备就绪的时候，将状态改为可读
key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
else if (key.isReadable()) {
// key.channel 多路复用器中拿到客户端的引用
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
int len = channel.read(buffer);
if (len > 0) {
buffer.flip();
String content = new String(buffer.array(), 0, len);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
// 在key上携带一个附件，一会再写出去
key.attach(content);
System.out.println("读取内容" + content);
}
}
else if (key.isWritable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
String content = (String) key.attachment();
channel.write(ByteBuffer.wrap(("输出:" + content).getBytes()));
channel.close();
}
}
public static void main(String[] args) {
new NIOServer(8080).listen();
}
}
[¶](# Java AIO 详解) Java AIO 详解
jdk1.7 (NIO2)才是实现真正的异步 AIO、把 IO 读写操作完全交给操作系统，学习了 linux epoll 模式.
[¶](# Java AIO 基本原理) Java AIO 基本原理
服务端:AsynchronousServerSocketChannel
客服端:AsynchronousSocketChannel
用户处理器:CompletionHandler 接口,这个接口实现应用程序向操作系统发起 IO 请求,当完成后处理具体逻辑，否则做 自己该做的事情。
“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中，事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程， 由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放 在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。异步IO模型使用了Proactor设计模式实 现了这一机制.
public class AIOServer {
private final int port;
public static void main(String args[]) {
int port = 8000;
new AIOServer(port);
}
public AIOServer(int port) {
this.port = port;
listen();
}
private void listen() {
try {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
AsynchronousChannelGroup threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(executorService, 1);
//开门营业
//工作线程，用来侦听回调的，事件响应的时候需要回调
final AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup);
server.bind(new InetSocketAddress(port));
System.out.println("服务已启动，监听端口" + port);
//准备接受数据
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>(){
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
//实现completed方法来回调
//由操作系统来触发
//回调有两个状态，成功
public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment){
System.out.println("IO操作成功，开始获取数据");
try {
buffer.clear();
result.read(buffer).get();
buffer.flip();
result.write(buffer);
buffer.flip();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.toString());
} finally {
try {
result.close();
server.accept(null, this);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
System.out.println("操作完成");
}
@Override
//回调有两个状态，失败
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
System.out.println("IO操作是失败: " + exc);
}
});
try {
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
} catch (InterruptedException ex) {
System.out.println(ex);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(e);
}
}
}
public class AIOClient {
private final AsynchronousSocketChannel client;
public AIOClient() throws Exception{
client = AsynchronousSocketChannel.open();
}
public void connect(String host,int port)throws Exception{
client.connect(new InetSocketAddress(host,port),null,new CompletionHandler<Void,Void>() {
@Override
public void completed(Void result, Void attachment) {
try {
client.write(ByteBuffer.wrap("这是一条测试数据".getBytes())).get();
System.out.println("已发送至服务器");
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
final ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(1024);
client.read(bb, null, new CompletionHandler<Integer,Object>(){
@Override
public void completed(Integer result, Object attachment) {
System.out.println("IO操作完成" + result);
System.out.println("获取反馈结果" + new String(bb.array()));
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
}
);
try {
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
} catch (InterruptedException ex) {
System.out.println(ex);
}
}
public static void main(String args[])throws Exception{
new AIOClient().connect("localhost",8000);
}
}
