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Java NIO 核心知识总结 |
Java |
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在学习 NIO 之前，需要先了解一下计算机 I/O模型的基础理论知识。还不了解的话，可以参考我写的这篇文章：Java IO 模型详解。
在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。也就是说，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。
为了解决这个问题，在Java1.4 版本引入了一种新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也称为 Non-blocking IO） 。NIO 弥补了同步阻塞I/O的不足，它在标准 Java 代码中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的 I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了 I/O 效率和并发。
下图是 BIO、NIO 和 AIO 处理客户端请求的简单对比图（关于 AIO 的介绍，可以看我写的这篇文章：Java IO 模型详解，不是重点，了解即可）。
NIO 主要包括以下三个核心组件：
- Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer中，而写操作时将 Buffer中的数据写入到 Channel 中。
- Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过Channel来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
- Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到Selector上，由Selector来分配线程来处理事件。
三者的关系如下图所示（暂时不理解没关系，后文会详细介绍）：
下面详细介绍一下这三个组件。
在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的， 分为字节流和字符流。
在Java 1.4 的 NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。 使用 NIO在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。
Buffer 的子类如下图所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。
你可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分别对应 int[]、float[]、char[] 等。
为了更清晰地认识缓冲区，我们来简单看看Buffer 类中定义的四个成员变量：
public abstract class Buffer {
// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;
}这四个成员变量的具体含义如下：
- 容量（
capacity）：Buffer可以存储的最大数据量，Buffer创建时设置且不可改变； - 界限（
limit）：Buffer中可以读/写数据的边界。写模式下，limit代表最多能写入的数据，一般等于capacity（可以通过limit(int newLimit)方法设置）；读模式下，limit等于 Buffer 中实际写入的数据大小。 - 位置（
position）：下一个可以被读写的数据的位置（索引）。从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position都会归零，这样就可以从头开始读写了。 - 标记（
mark）：Buffer允许将位置直接定位到该标记处，这是一个可选属性；
并且，上述变量满足如下的关系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。
另外，Buffer 有读模式和写模式这两种模式，分别用于从 Buffer 中读取数据或者向 Buffer 中写入数据。Buffer 被创建之后默认是写模式，调用 flip() 可以切换到读模式。如果要再次切换回写模式，可以调用 clear() 或者 compact() 方法。
Buffer 对象不能通过 new 调用构造方法创建对象 ，只能通过静态方法实例化 Buffer。
这里以 ByteBuffer 为例进行介绍：
// 分配堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity); Buffer 最核心的两个方法：
get: 读取缓冲区的数据put：向缓冲区写入数据
除上述两个方法之外，其他的重要方法：
flip：将缓冲区从写模式切换到读模式，它会将limit的值设置为当前position的值，将position的值设置为 0。clear: 清空缓冲区，将缓冲区从读模式切换到写模式，并将position的值设置为 0，将limit的值设置为capacity的值。- ......
Buffer 中数据变化的过程：
import java.nio.*;
public class CharBufferDemo {
public static void main(String[] args) {
// 分配一个容量为8的CharBuffer
CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
System.out.println("初始状态：");
printState(buffer);
// 向buffer写入3个字符
buffer.put('a').put('b').put('c');
System.out.println("写入3个字符后的状态：");
printState(buffer);
// 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3
buffer.flip();
System.out.println("调用flip()方法后的状态：");
printState(buffer);
// 读取字符
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print(buffer.get());
}
// 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值
buffer.clear();
System.out.println("调用clear()方法后的状态：");
printState(buffer);
}
// 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置
private static void printState(CharBuffer buffer) {
System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());
System.out.print(", limit: " + buffer.limit());
System.out.print(", position: " + buffer.position());
System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());
System.out.println("\n");
}
}输出:
初始状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0
写入3个字符后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 3
准备读取buffer中的数据！
调用flip()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 3, position: 0
读取到的数据：abc
调用clear()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0 为了帮助理解，我绘制了一张图片展示 capacity、limit和position每一阶段的变化。
Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。
BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。
Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer中，而写操作时将 Buffer中的数据写入到 Channel 中。
另外，因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。
Channel 的子类如下图所示。
其中，最常用的是以下几种类型的通道：
FileChannel：文件访问通道；SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP通信通道；DatagramChannel：UDP 通信通道；
Channel 最核心的两个方法：
read：读取数据并写入到 Buffer 中。write：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
这里我们以 FileChannel 为例演示一下是读取文件数据的。
RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);Selector（选择器） 是 NIO中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel加入到就绪集合中。通过 SelectionKey可以获取就绪 Channel的集合，然后对这些就绪的 Channel进行响应的 I/O 操作。
一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
Selector 可以监听以下四种事件类型：
SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于ServerSocketChannel。SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于SocketChannel。SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。
Selector 是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。
一个Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：
- 所有的
SelectionKey集合：代表了注册在该 Selector 上的Channel，这个集合可以通过keys()方法返回。 - 被选择的
SelectionKey集合：代表了所有可通过select()方法获取的、需要进行IO处理的 Channel，这个集合可以通过selectedKeys()返回。 - 被取消的
SelectionKey集合：代表了所有被取消注册关系的Channel，在下一次执行select()方法时，这些Channel对应的SelectionKey会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。
简单演示一下如何遍历被选择的 SelectionKey 集合并进行处理：
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key != null) {
if (key.isAcceptable()) {
// ServerSocketChannel 接收了一个新连接
} else if (key.isConnectable()) {
// 表示一个新连接建立
} else if (key.isReadable()) {
// Channel 有准备好的数据，可以读取
} else if (key.isWritable()) {
// Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
}
}
keyIterator.remove();
}Selector 还提供了一系列和 select() 相关的方法：
int select()：监控所有注册的Channel，当它们中间有需要处理的IO操作时，该方法返回，并将对应的SelectionKey加入被选择的SelectionKey集合中，该方法返回这些Channel的数量。int select(long timeout)：可以设置超时时长的select()操作。int selectNow()：执行一个立即返回的select()操作，相对于无参数的select()方法而言，该方法不会阻塞线程。Selector wakeup()：使一个还未返回的select()方法立刻返回。- ......
使用 Selector 实现网络读写的简单示例：
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;
import java.util.Set;
public class NioSelectorExample {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
Selector selector = Selector.open();
// 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) {
continue;
}
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// 处理连接事件
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
// 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 处理读事件
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = client.read(buffer);
if (bytesRead > 0) {
buffer.flip();
System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
// 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
} else if (bytesRead < 0) {
// 客户端断开连接
client.close();
}
} else if (key.isWritable()) {
// 处理写事件
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
client.write(buffer);
// 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
keyIterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听8080端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 "Hello, Client!"。
零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ、QMQ、Netty 等顶级开源项目都用到了零拷贝。
零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。也就是说，零拷贝主主要解决操作系统在处理 I/O 操作时频繁复制数据的问题。零拷贝的常见实现技术有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy 。
下图展示了各种零拷贝技术的对比图：
| CPU 拷贝 | DMA 拷贝 | 系统调用 | 上下文切换 | |
|---|---|---|---|---|
| 传统方法 | 2 | 2 | read+write | 4 |
| mmap+write | 1 | 2 | mmap+write | 4 |
| sendfile | 1 | 2 | sendfile | 2 |
| sendfile + DMA gather copy | 0 | 2 | sendfile | 2 |
可以看出，无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。
Java 对零拷贝的支持：
MappedByteBuffer是 NIO 基于内存映射（mmap）这种零拷⻉⽅式的提供的⼀种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的mmap系统调用。它可以将一个文件或者文件的一部分映射到内存中，形成一个虚拟内存文件，这样就可以直接操作内存中的数据，而不需要通过系统调用来读写文件。FileChannel的transferTo()/transferFrom()是 NIO 基于发送文件（sendfile）这种零拷贝方式的提供的一种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的sendfile系统调用。它可以直接将文件数据从磁盘发送到网络，而不需要经过用户空间的缓冲区。关于FileChannel的用法可以看看这篇文章：Java NIO 文件通道 FileChannel 用法。
代码示例：
private void loadFileIntoMemory(File xmlFile) throws IOException {
FileInputStream fis = new FileInputStream(xmlFile);
// 创建 FileChannel 对象
FileChannel fc = fis.getChannel();
// FileChannle.map() 将文件映射到直接内存并返回 MappedByteBuffer 对象
MappedByteBuffer mmb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fc.size());
xmlFileBuffer = new byte[(int)fc.size()];
mmb.get(xmlFileBuffer);
fis.close();
}这篇文章我们主要介绍了 NIO 的核心知识点，包括 NIO 的核心组件和零拷贝。
如果我们需要使用 NIO 构建网络程序的话，不建议直接使用原生 NIO，编程复杂且功能性太弱，推荐使用一些成熟的基于 NIO 的网络编程框架比如 Netty。Netty 在 NIO 的基础上进行了一些优化和扩展比如支持多种协议、支持 SSL/TLS 等等。
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Java NIO浅析：https://tech.meituan.com/2016/11/04/nio.html
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面试官：Java NIO 了解？https://mp.weixin.qq.com/s/mZobf-U8OSYQfHfYBEB6KA
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Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector：https://www.javadoop.com/post/java-nio