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【Netty】第3章-Java NIO 编程
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待补充
【Netty】第3章-Java NIO编程
1. Java NIO 基本介绍
1）Java NIO 全称
java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO（即New IO），是同步非阻塞的。2）NIO 相关类都被放在
java.nio包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。【基本案例】3）NIO 有三大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。
4）NIO 是面向缓冲区，或者面向 块 编程的。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，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
5）Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，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事情。非阻塞写也是如此，一个线程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。【后面有案例说明】
6）通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作。假设有10000个请求过来，根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个线程处理连接。
7）HTTP2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP1.0 大了好几个数量级。
8）案例说明 NIO 的 Buffer：
package com.min.NIO; import java.nio.IntBuffer; /** * 举例说明Buffer 的使用 (简单说明) */ public class BasicBuffer { public static void main(String[] args) { //1.创建一个Buffer, 大小为 5, 即可以存放5个int类型数据 IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5); //2.向buffer 存放数据 // 2.1 直接put方式存放数据 // intBuffer.put(10); // intBuffer.put(11); // intBuffer.put(12); // intBuffer.put(13); // intBuffer.put(14); // 2.2 通过for循环put存放数据 for(int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) { intBuffer.put( i * 2); } //3.从buffer 读取数据 /** flip() 将buffer转换，读写切换(!!!) * * flip()源码： * public final Buffer flip() { * limit = position; //读数据不能超过5 * position = 0; * mark = -1; * return this; * } */ intBuffer.flip(); // intBuffer.position(1);//1,2 // System.out.println(intBuffer.get()); // intBuffer.limit(3); while (intBuffer.hasRemaining()) { System.out.println(intBuffer.get()); } } }- 1
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2. NIO 和 BIO 的比较
1）BIO 以流的方式处理数据；而 NIO 以块的方式处理数据。块 I/O 的效率比 流 I/O 高很多。
2）BIO 是阻塞的；而 NIO 是非阻塞的。
3）BIO 基于字节流和字符流进行操作；而 NIO 基于 Channel(通道) 和 Buffer(缓冲区) 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。Selector(选择器) 用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。
3. NIO 三大核心原理示意图
3.1 Selector、Channel 和 Buffer 的关系图（简单版）
3.2 关系图说明
Channel：通道；Buffer：缓冲区；Selector：选择器；Event：事件
1）每个 Channel 都会对应一个 Buffer；
2）Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 Channel（Channel可以理解为 连接）；
3）该图反映了有三个 Channel 注册到该 Selector；
4）程序切换到哪个 Channel 是由事件决定的，Event 就是一个重要的概念；
5）Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换；
6）Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组；（所以说 Netty 是面向块编程的，块其实就是指Buffer）
7）数据的读取和写入是通过 Buffer。这点和BIO有本质区别，BIO中要么是输入流，要么是输出流，不能双向。但是 NIO 的 Buffer 是可以读可以写，需要 filp()方法切换；Channel是双向的，可以返回底层操作系统的情况；比如Linux，底层的操作系统通道就是双向的。
4. 缓冲区（Buffer）
4.1 基本介绍
缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成就是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够追踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer，如图：
4.2 Buffer类及其子类
1）在NIO中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用Buffer子类有：
常用Buffer子类 作用 ByteBuffer 存储字节数据到缓冲区 ShortBuffer 存储字符串数据到缓冲区 CharBuffer 存储字符数据到缓存区 IntBuffer 存储整数数据到缓存区 LongBuffer 存储长整型数据到缓存区 DoubleBuffer 存储小数到缓存区 FloatBuffer 存储小数到缓存区 2）Buffer类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性，用来提供关于其所包含的数据元素的信息：
属性 描述 capacity 容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变 limit 表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的 position 位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变该值，为下次读写做准备 mark 标记，定义为 -1 3）Buffer类相关方法有：
4.3 ByteBuffer
从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型（boolean除外），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），该类的主要方法如下：
5. 通道（Channel）
5.1 基本介绍
1）NIO 的通道类似于流，但有些区别，如下：
- 通道可以同时进行读写；而流只能读或者只能写；
- 通道可以实现异步读写数据；
- 通道可以从缓冲区读数据，也可以写数据到缓冲区。
2）BIO 中的 流（stream ）是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作；而 NIO 中的通道（Channel）是双向的，可以读操作，也可以写操作。
3）Channel 在NIO中是一个接口
public interface Channel extends Closeable{}- 1
4）常用的 Channel类有：
- FileChannel：用于文件的数据读写
- DatagramChannel：用于UDP的数据读写
- ServerSocketChannel（类似 ServerChannel）：用于TCP的数据读写
- SocketChannel（Socket）：用于TCP的数据读写
5.2 FileChannel类
FileChannel 主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有：
- public int read(ByteBuffer dst)：从通道读取数据并放到缓冲区中
- public int write(ByteBuffer src)：把缓冲区的数据写到通道中
- public long transferFrom(ReadableByteChannel src,long position,long count)：从目标通道中复制数据到当前通道
- public long transferTo(long position,long count,WritableByteChannel target)：把数据从当前通道复制给目标通道
5.3 应用案例1-本地文件写数据
1）实例要求：使用前面学习后的ByteBuffer(缓冲)和FileChannel(通道)，将"hello,尚硅谷"写入到file01.txt文件中。
2）业务流程如下图左半部分：
3）代码展示：（运行程序之后D盘就会创建一个file01.txt文件，并有写入的字符串数据展示）package com.min.NIO; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; /** * FileChannel 应用案例1-本地文件写数据 * * 1.创建文件 file01.txt * 2.将“hello,尚硅谷”写入到 file01.txt中 */ public class NIOFileChannel01 { public static void main(String[] args) throws IOException { String str = "hello,尚硅谷"; //创建一个输出流->channel FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\file01.txt"); //通过 fileOutputStream 获取对应的 FileChannel //这个 fileChannel 真实类型是 FileChannelImpl FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel(); //创建一个缓冲区 ByteBuffer ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); //将 str 放入 byteBuffer byteBuffer.put(str.getBytes()); //对byteBuffer 进行flip(反转，由写模式转为读模式) byteBuffer.flip(); //将byteBuffer 数据写入到 fileChannel fileChannel.write(byteBuffer); fileOutputStream.close(); } }- 1
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5.4 应用案例2-本地文件读数据
1）实例要求：使用前面学习后的ByteBuffer(缓冲)和FileChannel(通道)，将file01.txt文件中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕。（因为刚进行案例1创建出来了file01.txt文件，本案例将读取其中的数据信息，若无文件需自己创建）
2）业务流程如下图右部分：
3）代码展示package com.min.NIO; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileNotFoundException; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; /** * FileChannel 应用案例2-本地文件读数据 */ public class NIOFileChannel02 { public static void main(String[] args) throws Exception { //创建文件的输入流 File file = new File("d:\\file01.txt"); FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file); //通过fileInputStream 获取对应的FileChannel -> 实际类型 FileChannelImpl FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel(); //创建缓冲区 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length()); //将 通道的数据读入到Buffer fileChannel.read(byteBuffer); //将byteBuffer 的 字节数据 转成String System.out.println(new String(byteBuffer.array())); fileInputStream.close(); } }- 1
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5.5 应用案例3-使用一个Buffer完成文件读取、写入
1）实例要求：使用FileChannel(通道)和read/write方法，用一个Buffer完成文件的拷贝，拷贝一个文本文件1.txt到2.txt。（此时需要在本项目录下手动创建文件1.txt，文件2.txt会自动创建）
2）业务流程图：
3）代码展示：
package com.min.NIO; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; /** * 应用案例3-使用一个Buffer完成文件读取、写入 */ public class NIOFileChannel03 { public static void main(String[] args) throws Exception { FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt"); FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel(); FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt"); FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512); while (true) { //循环读取 //这里有一个重要的操作，一定不要忘了 /* public final Buffer clear() { position = 0; limit = capacity; mark = -1; return this; } */ byteBuffer.clear(); //清空buffer，重置标志位 int read = fileChannel01.read(byteBuffer); System.out.println("read =" + read); if(read == -1) { //表示读完 break; } //将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txt byteBuffer.flip(); fileChannel02.write(byteBuffer); } //关闭相关的流 fileInputStream.close(); fileOutputStream.close(); } }- 1
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5.6 应用案例4-拷贝文件transferFrom方法
1）实例要求：使用FileChannel(通道)和transferFrom方法，完成文件的拷贝，拷贝一张图片。（在D盘中放置一张图片a.jpg，完成拷贝后a2.jpg图片会自动创建出来）
2）代码演示：
package com.atguigu.nio; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.nio.channels.FileChannel; public class NIOFileChannel04 { public static void main(String[] args) throws Exception { //创建相关流 FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg"); FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg"); //获取各个流对应的filechannel FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel(); FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel(); //使用transferForm完成拷贝 destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size()); //关闭相关通道和流 sourceCh.close(); destCh.close(); fileInputStream.close(); fileOutputStream.close(); } }- 1
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5.7 关于Buffer和Channel的注意事项和细节
1）ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get，put放入的是什么数据类型，get就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。【举例说明】
2）可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer。【举例说明】
3）NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，而如何同步到文件由 NIO 来完成。【举例说明】
4）前面我们讲的读写操作，都是通过一个Buffer完成的，NIO还支持通过多个Buffer（即Buffer数组）完成读写操作，即 Scattering 和 Gatering。【举例说明】
6. Selector（选择器）
6.1 基本介绍
1）Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector（选择器）。
2）Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生（注意：多个Channel 以事件的方式可以注册到同一个Selector），如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。【示意图如6.2所示】
3）只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程。
4）避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
6.2 Selector 示意图和特点说明
说明如下：
1）Netty 的 IO线程 NioEventLoop 聚合了 Selector（选择器，也叫多路复用器），可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
2）当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
3）线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
4）由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
5）一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。 -
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