【NIO实战】深入理解NIO三大组件：buffer、channel、selector

ゝ一纸荒年。 2023-09-26 21:02 181阅读 0赞

#### 前言 ####

根据IO模型，可以把IO分为下面三种

1.  BIO

BIO(Blocking IO)是最传统的一种IO模型，BIO在读/写数据如果没有可以读取/写入时会发生阻塞。BIO 读写是面向流的，一次性只能从流中读取一个或者多个字节，并且读完之后流无法再读取，需要我们自己讲数据缓存起来，BIO位于`java.io`包中。

1.  NIO

NIO(New IO)采用非阻塞模式，它是基于Reactor模式，IO调用不会被阻塞，它是NIO位于`java.nio`包中。

1.  AIO

AIO 也就是 NIO 2，在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞 的 IO 模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是说 AIO 模式不需要selector 操作，而是是事件驱动形式，也就是当客户端发送数据之后，会主动通知服务器，接着服务器再进行读写操作。AIO位于`java.nio`包中。

BIO、NIO、AIO对比

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>BIO</th> 
   <th>NIO</th> 
   <th>AIO</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>IO模型</td> 
   <td>同步阻塞</td> 
   <td>同步非阻塞(多路复用)</td> 
   <td>异步非阻塞</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>编程难度</td> 
   <td>简单</td> 
   <td>复杂</td> 
   <td>复杂</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可靠性</td> 
   <td>差</td> 
   <td>好</td> 
   <td>好</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>吞吐量</td> 
   <td>低</td> 
   <td>高</td> 
   <td>高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>JDK版本</td> 
   <td>1.0</td> 
   <td>1.4</td> 
   <td>1.7</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### NIO概述 ####

Java NIO由以下几个核心部分组成

*  Channels
 *  Buffers
 *  Selectors

Channel

Channel可以翻译成"通道"，一个Channel表示一个对象的连接，例如文件，网络socket或者执行不同IO操作的程序。Channel只能是打开或者关闭状态，一旦Channel关闭了就不能再次打开。

它可以对应到BIO中的Stream(流)，Channel与Stream的区别是Stream是单向的，Channel是双向的，我们在使用流的时候有`InputStream`，`OutputStream`，而Channel是双向的，它即可以用来进行读操作，页可以进行写操作。

Channel是一个接口，它提供了如下两个方法

public interface Channel extends Closeable {
    		// channel是否是打开状态
        public boolean isOpen();
    		// 关闭channel
        public void close() throws IOException;
    }
    复制代码

Channel接口与它的主要实现类的类图如下所示，从图中可以看出Channel的主要实现类有`FileChannel`，`DatagramChannel`，`SocketChannel`，`ServerSocketChannel`，分别对应的是文件IO、UDP，TCP Client，TCP Server。

![format_png][]

Buffer

Buffer可以翻译成"缓冲区"，Buffer是一个基于原始数据类型的线性的、有限元素序列容器，它的本质是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存，这块内存被包装成Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的操作该内存。Buffer的主要作用是与Channel进行交互，读取数据时，数据是从Channel读入Buffer，写入数据时，数据是从Buffer写入Channel。

Buffer属性介绍

Buffer是一个抽象类，它位于`java.nio`包内，它包含如下属性

// 缓冲区的位置
    private int position = 0;
    // 缓冲区的限制
    private int limit;
    // 缓冲区的标记
    private int mark = -1;
    // 缓冲区的容量
    private int capacity;
    复制代码

1. position属性

它是要读取或写入的下一个元素的索引。在buffer进行读写模式改变时，position的值会进行相应调整

*  写模式

在刚进入写模式时，position的值为0，表示当前写入位置为从头开始，每当一个数据写入到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写位置，当position的值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。

*  读模式

当缓冲区刚进入读模式时，position会被重置为0，每读一个数据，position会向后移动到下一个可读为止，当position的值达到limit时，缓冲区就已经无数据可读了。

2. limit属性

可以写入或者读取的数据最大上限

*  写模式

limit属性值的含义为可以写入数据的最大上限，在刚进入写模式时，limit的值会别设置成Buffer的capacity值，表示一直可以将缓冲区内容写满

*  读模式

limit值的含义为最多能从buffer读取数据的最大上限，flip方法将缓冲区切换到读模式时，limit的值会被设置为写模式的position。

3. mark属性

在缓冲区操作过程中，可以将当前position的值临时存入mark属性中，需要的时候再将mark中的属性值取出，暂存的mark值，恢复到position属性中

4. capacity属性

capacity是缓冲区包含的元素数，一旦写入对象数量超过了capacity，缓冲区就满了，不能再写入

> Buffer中上述变量大小存在如下关系
> 
> 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

Buffer在**读模式**与**写模式**下4个属性的关系如下图所示，以及在两种模式下的可读范围与可写范围

![format_png 1][]

Buffer的创建

如果想要获得一个Buffer对象，可以通过如下方法分配一个Buffer

// 在堆空间中创建一个1024字节的ByteBuffer
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 在直接内存中创建一个1024字节的ByteBuffer
    ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    // ByteBuffer直接wrap一个bytes
    ByteBuffer wrapBuffer = ByteBuffer.wrap("Hello 林师傅！".getBytes());
    // 分配一个1024字符的CharBuffer
    CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024);
    复制代码

ByteBuffer中allocate与allocateDirect的区别

想要知道allocate与allocateDirect的区别，我们直接来看两者的源码

// ByteBuffer#allocate
    public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
        if (capacity < 0)
            throw createCapacityException(capacity);
        return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
    }
    // ByteBuffer#allocateDirect
    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
        return new DirectByteBuffer(capacity);
    }
    复制代码

allocate()返回的是HeapByteBuffer对象，它对应的是JVM堆空间的内存。allocateDirect()返回的是DirectByteBuffer，它对应的是直接内存，不受JVM管理。

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式

*  通过Buffer\#put()方法写数据

buffer.put(123)
    复制代码

*  从Channel写数据到Buffer

channel.read(buffer)
    复制代码

从Buffer中读数据

从Buffer中读数据有两种方式

*  通过Buffer\#get()方法读数据

// 从byteBuffer获取一个字节
    byte b = byteBuffer.get();
    // 从byteBuffer中获取一个int
    int intResult = byteBuffer.getInt();
    // 从byteBuffer将数据写入到数组中，如果数组的长度大于Buffer中可读数据的长度，会抛出异常
    byte[] dst = new byte[5];
    byteBuffer.get(dst);
    复制代码

*  从Buffer读数据到Channel

channel.write(buffer)
    复制代码

Buffer其他常用的方法

*  `flip()`：翻转

调用flip()可以将Buffer从写模式切换为读模式，切换之后可以读取之前写入Buffer的数据。抵用flip()会将limit设为position，然后将position设为0，mark设为-1。

// java.nio.Buffer#flip
    public Buffer flip() {
        limit = position;
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }
    复制代码

*  `clear()`：清空

flip()是将Buffer切换为读模式，clear()就是将Buffer切换为写模式，切换之后Buffer可以从头开始写入数据，调用clear()会将position被设为0，limit被设为capacity，mark为-1

// java.nio.Buffer#clear
    public Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }
    复制代码

*  `rewind()`：重新读取

Buffer中的数据读取完之后，调用rewind()方法，可以再次读取数据，它保持limit不变并将position设置为0，mark设为-1。

public Buffer rewind() {
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }
    复制代码

*  `slice()`

创建当前Buffer的**浅拷贝切片**，新创建的Buffer与原Buffer共享一块内存区域，只是将原Buffer从position到limit之间的数据交给新的Buffer引用。我们可以通过下面例子来理解slice()

public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("---put---");
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            buffer.put((byte) i);
        }
        printBuf(buffer);
        buffer.flip();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            buffer.get();
        }
        System.out.println("---slice---");
        printBuf(buffer);
        ByteBuffer sliceBuf = buffer.slice();
        printBuf(sliceBuf);
    }
    
    private static void printBuf(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        builder.append("position：").append(buffer.position()).append(";  limit：").append(buffer.limit())
                .append(";  capacity：").append(buffer.capacity()).append("  Content:[");
        for (int i = 0; i < buffer.array().length; i++) {
            if (i != 0) 
                builder.append(",");
            builder.append(buffer.array()[i]);
        }
        builder.append("]");
        builder.append("\tcontentHashCode:").append(Arrays.hashCode(buffer.array()));
        System.out.println(builder);
    }
    复制代码

输出结果如下，可以看到slice之后获得的新Buffer的position会变成0，limit和capacity的值为limit-position，新Buffer中保存的还是原Buffer数组的引用。

![format_png 2][]

*  `duplicate()`

创建缓冲区的**浅拷贝**，新创建的Buffer与原Buffer共享一块内存区域，新Buffer与原Buffer的mark,position,limit,capacity都相同。我们通过下面例子看理解duplicate()

public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10) ;
        System.out.println("---put---");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            buffer.put((byte) i);
        }
        printBuf(buffer);
        System.out.println("---duplicate---");
        ByteBuffer dupBuf = buffer.duplicate();		// dup Buffer
        printBuf(dupBuf);
        System.out.println("---modify---");
        buffer.put(5, (byte) 'a');
        printBuf(buffer);													// 打印修改后的buf
        printBuf(dupBuf);													// 打印修改后的dupBuf
    }
    		// ... 省略printBuf代码，与sliceDemo中相同
    复制代码

输出结果如下所示，我们可以看到复制后的buffer与原buffer的内容，参数都完全相同，底层共用了一个同一个byte数组(数组hash值相同)，修改原buffer后，duplicate出来的buffer也被修改了，这里也可以验证前面说的duplicate只是一个浅拷贝。

![format_png 3][]

Buffer的主要实现类

Buffer中的主要实现类如下所示

![format_png 4][]

Selector

Selector是SelectableChannel的多路复用器，也可以称为选择器，一般用于用于检查一个或多个 NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个 channels，也就是可以管理多个网络链接。使用 Selector 的好处在于： 使用更少的线程来就可以来处理通道了，相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销。

![format_png 5][]

Selector的类图如下，可以看到Selector的最终实现类是`KQueueSelectorImpl`继承了`SelectorImpl`，在不同的操作系统中，Selector的最终实现类略有不同，在window系统中是`WindowsSelectorImpl`，在Linux中是`EPollSelectorImpl`，由于笔者用的是macOS，selector的最终实现类是`KQueueSelectorImpl`。

![format_png 6][]

Selector的创建

要获得一个Selector对象，可以通过调用Selector.open()方法创建一个Selector对象

Selector open = Selector.open();
    复制代码

打开open()的源码，可以发现是通过默认的SelectorProvider来创建的Selector，SelectorProvider是一个单例

public static Selector open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openSelector();
    }
    复制代码

注册Channel到Selector

SelectableChannel中注册方法，将channel注册到selector，并传入感兴趣的SelectionKey

selectableChannel.register(selector,SelectionKey)
    复制代码

> **注意：**
> 
> 1.  与Selector配合使用时，Channel必须处于非阻塞模式下
> 2.  一个通道并不一定支持所有SelectionKey事件

使用Selector的好处在于：使用更少的线程就可以来处理通道，相比使用多个线程，避免了线程上下文带来的切换

轮询就绪操作

通过Selector的select()方法，可以查询出已经就绪的通道操作。

// Selector中的
    // 阻塞到至少有一个通道在注册上的时间就绪了
    public abstract int select() throws IOException;
    // 和select()一样，但最长阻塞事件为timeout毫秒
    public abstract int select(long timeout) throws IOException;
    // 非阻塞，只要通道就绪就立即返回
    public abstract int selectNow() throws IOException;
    复制代码

SelectionKey详解

SelectionKey表示SelectableChannel在Selector中注册的标识，Chanel向Selector注册时，都会创建一个SelectionKey。SelectionKey保存了注册Channel、注册的Selector、通道事件类型操作符等信息。

SelectionKey是一个抽象类，它有两个实现类**AbstractSelectionKey(抽象类)和SelectionKeyImpl(最终实现类)**，类图如下所示。

![format_png 7][]

SelectionKey包含如下4种操作类型。

// 读操作符，值为1
    public static final int OP_READ = 1 << 0;
    // 写操作符，值为4
    public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
    // 连接操作符，值为8
    public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
    // 接收操作符，值为16
    public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
    复制代码

SelectableChannel

SelectableChannel是一个可通过Selector多路复用的Channel。我们来看下SelectableChannel的定义，SelectableChannel是一个抽象类，并且实现了Channel方法，SelectableChannel也是DatagramChannel，SocketChannel，ServerSocketChannel的父类，SelectableChannel并不是FileChannel的父类，因此FileChannel不能被选择器复用，SelectableChannel类的源码如下

public abstract class SelectableChannel extends AbstractInterruptibleChannel implements Channel{
    	// ...
      // 获取通道向给定Selector注册的密钥。
      public abstract SelectionKey keyFor(Selector sel);
      // 向给定Slelector注册此Channel，并返回SelectionKey
      public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att) throws ClosedChannelException;
      // 向给定Slelector注册此Channel，并返回SelectionKey
      public final SelectionKey register(Selector sel, int ops) throws ClosedChannelException{return register(sel, ops, null);}
      // ...
    }
    复制代码

>  *  如果SelectableChannel要和Selector一起使用，可以通过上面的register方法将当前Channel注册到Selector中，并返回个新的 SelectionKey 对象，该对象表示Channel在Selector中注册的令牌
>  *  SelectableChannel至多只能在在某个Selector中注册一次，一旦Channel向Selector注册后，Channel将变成"已注册"状态。
>  *  SelectableChannel是线程安全的

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