NIO的浅了解

一、五种IO类型

1、阻塞IO

用户进程一直等待数据准备好，在复制完成之前都是阻塞的

2、非阻塞IO

用户进程需要不断轮询查看是否数据准备好

优化了提升并发连接数量，但是每一个请求都需要创建一个socket建立连接，每个线程都需要去遍历轮询，导致cpu的消耗，直到数据返回成功

3、IO复用

（1）select/poll

单个线程可以处理多个网络连接。相对于BIO多了一步，注册到selector的过程，进程被selector函数阻塞。

select单个进程所能打开的fd()【就是文件描述符，linux内把所有的外部设备都看成一个文件操作】，对于每一个文件的读写操作都会调用内核提供的系统命令来返回给fd，对于socket的读写也会返回一个fd，所以放fd的时候，说明数据是可读或者是可写。

所以这个模型在单进程里，操作的连接数默认是1024，可以修改，但是会带来网络性能的下降，因为会去加大轮询次数，带来网络延迟，因为只有少数连接处于活跃状态，而每次轮询是查询所有的连接。

jdk1.6之前是使用这种模型

（2）epoll

jdk1.6后使用此模型。解决select-poll的缺陷

• 对单个进程锁打开的连接数没有限制（连接需要占用内存，1TB大概10w个连接）
• 利用每个fd上的callback函数来实现异步回调，省去了轮询的开销
• mmap：通过内核和用户空间映射同一块内存空间，来减少内存复制

4、异步IO

二、NIO

1、了解

基于通道和缓冲区操作的：

• 通道：一个新的原始IO
• 缓冲支持：负责数据存储和传输的缓冲区
• 具体：数据从通道读取到缓冲，数据从缓冲区写入通道

非阻塞的：

• 针对网络的，当线程从通道读取数据到缓冲区，线程依然可以进行其他事情（1.6以后epoll模型）

选择器：

• 用于监听多个通道的事件，例如链接打开、数据到达
• 单个线程可以监听多个数据通道

2、Channel

FileChannel：从文件中读写数据（不适合Selector，因为不能非阻塞）

DatagramChannel：通过UDP协议读写网络中的数据

SocketChannel：通过TCP协议读写网络中的数据

ServerSocketChannel：监听一个TCP连接，对于每一个新的客户端连接都会创建一个SocketChannel。

3、Buffer

buffer是一个对象，包含需要写入或者刚读出的数据，常用的缓冲区类型是ByteBuffer

public class aaa {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("D:/test.txt"));
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("D:/test.txt"));
            FileChannel fin = fis.getChannel();
            FileChannel fout = fos.getChannel();
 
            //初始化一个缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //读取数据到缓冲区
            fin.read(buffer);
            //从读转化为写
            buffer.flip();
            fout.write(buffer);
            //重置缓冲区
            buffer.clear();
 
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4、IO和NIO的区别

5、缓冲区的内部细节

缓冲区本质是一块可以写入数据，以及从中读取数据的内存，实际上也是一个byte[]数据，只是在NIO中被封装成了NIO Buffer对象，并提供了一组方法来访问这个内存块。

- capacity：容量

- position：位置。读是跟踪从缓冲区读取了多少数据；写是数据放入数组哪个位置；

- limit：写是还有多少数据取出来写到通道；读是还有多少空间可以放出去；

例如：写入

初始话时，capacity是8，就是一个8长度的格子，当写入“hello”的时候，就是ficn.reds("hello);时,postion和limit都会指向4（从0开始），当flip()时，position指向0，limit是4，0-4就是要写入的字符，最后write()写入。

6、零拷贝的原理

IO流程：内核给磁盘发送命令需要读取磁盘的数据，在DMA的控制下，把磁盘上的数据读入到内核缓冲区，内核把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。用户缓冲区再将数据拷贝到Socket buffer(也是内核)，最后发送到网卡缓冲区，四个步骤。

设计到一个用户态到内核态的切换，影响cpu的性能。

从内核态到用户缓冲区没有用，为什么要设计呢

为了提升IO性能，假设应用程序进行读，内核缓冲区对于读相当于一个缓冲空间，当用户只读取一小部分数据的时候，但是内核从磁盘会读取一块数据，下次用户再读其他的数据的时候，在内核缓冲区已经存在就不需要再去磁盘获取，从这个角度是提升了性能的。

使用内存映射缓存mmap，通过内核和用户空间映射同一块内存空间，来减少内存复制。

零拷贝就是减少拷贝次数，减少内核态和用户态之间的数据的复制，提升IO性能。

public class aaa {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            FileChannel in = FileChannel.open(Paths.get("D:/logo.png"), StandardOpenOption.READ);
            FileChannel out = FileChannel.open(Paths.get("D:/logo_cp.png"), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE);
 
            MappedByteBuffer inMap = in.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, in.size());
            MappedByteBuffer outMap = in.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, in.size());
 
            byte[] bytes = new byte[inMap.limit()];
            inMap.get(bytes);
            outMap.put(bytes);
 
            in.close();
            out.close();
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 
public class ccc {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9090));
            FileChannel channel = new FileInputStream("D:/1.txt").getChannel();
            int position = 0;
            long size = channel.size();
            while (size > 0) {
                long tf = channel.transferTo(position, size, socketChannel);
                if (tf > 0) {
                    position += tf;
                    size = tf;
                }
            }
            socketChannel.close();
            channel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class ddd {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
            SocketChannel accept = channel.accept();
            ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
            int r = 0;
            FileChannel fileChannel = new FileOutputStream("D:/text_cp.txt").getChannel();
            while (r != -1){
                r = accept.read(allocate);
                allocate.flip();
                fileChannel.write(allocate);
                allocate.clear();
            }
 
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
    }
}

7、SocketChannel和ServerSocketChannel

服务端

public class aaa {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            //支持两种模式：阻塞、非阻塞
            ServerSocketChannel open = ServerSocketChannel.open();
            open.configureBlocking(false);
            //绑定端口号
            open.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
            while (true) {
                SocketChannel accept = open.accept();
                //存在连接
                if (accept != null) {
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    accept.read(buffer);
                    System.out.println(new String(buffer.array()));
                    //再把消息写回到客户端
                    Thread.sleep(10000);
                    buffer.filp();
                    accept.write(buffer);
                } else {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("无客户端连接");
                }
            }
        } catch (FileNotFoundException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端

public class aaa {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            SocketChannel open = SocketChannel.open();
            //把客户端设置为非阻塞，在非阻塞模式下，不一定是等到连接建立之后再往下执行
            open.configureBlocking(false);
            open.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9090));
            if(open.isConnectionPending()) {
                open.finishConnect();
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.flip();
            open.write(buffer);
            //读取服务端返回的数据
            buffer.clear();
            //非阻塞模式，这里不阻塞
            int r = open.read(buffer);
            if(r > 0) {
                System.out.println("收到服务端的消息" + new String(buffer.array()));
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

8、选择器Selector

一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

public class aaa {
 
    static Selector selector;
 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建一个多路复用器
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
        //连接的非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
        //监听连接事件,会返回一个SelectionKey，通道的唯一标识
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //轮询
        while (true) {
            //阻塞，所有注册到复用器上事件
            selector.select();
            //一旦某个channel准备就绪，就返回他们的key
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                //一定是已经就绪的通道
                SelectionKey next = iterator.next();
                //拿到通道后，可以处理了，避免重复处理
                iterator.remove();
                if(next.isAcceptable()){
                    //连接事件
                    HandleAccept(next);
                }else if(next.isReadable()){
                    //读事件
                    HandleRead(next);
                }
            }
        }
 
    }
 
    private static void HandleAccept(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel)selectionKey.channel();
        SocketChannel accept = serverSocketChannel.accept();
        //IO的非阻塞
        accept.configureBlocking(false);
        accept.write(ByteBuffer.wrap("Server write".getBytes()));
        //注册的是accept的读事件
        accept.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
 
    private static void HandleRead(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel =  (SocketChannel)selectionKey.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        socketChannel.read(buffer);
        System.out.println("Server receive msg: " + new String(buffer.array()));
 
    }
}

public class bbb {
    static Selector selector;
 
    public static void main(String[] args) {
        try {
            selector = Selector.open();
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9090));
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey next = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    if(next.isConnectable()){
                        //连接事件
                        HandleConnect(next);
                    }else if(next.isReadable()){
                        //读事件
                        HandleRead(next);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    private static void HandleConnect(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel =  (SocketChannel)selectionKey.channel();
        if(socketChannel.isConnectionPending()){
            socketChannel.finishConnect();
        }
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("Client receive".getBytes()));
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
 
    //读取服务端返回的数据
    private static void HandleRead(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel =  (SocketChannel)selectionKey.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        socketChannel.read(buffer);
        System.out.println("Client receive msg: " + new String(buffer.array()));
    }
}

9、BIO\NIO\AIO的区别