Java NIO 和 AIO 总结

男娘i 2023-10-13 18:56 3阅读 0赞

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title: Java NIO 和 AIO 总结  
date: 2023-05-10 13:21:26  
tags:

*  NIO
 *  AIO  
    categories:
 *  开发知识及其他  
    cover: https://cover.png  
    feature: false

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## 1. NIO ##

> Java NIO (New IO) is an alternative IO API for Java, meaning alternative to the standard Java IO and Java Networking API’s. Java NIO offers a different IO programming model than the traditional IO APIs. Note: Sometimes NIO is claimed to mean *Non-blocking IO*. However, this is not what NIO meant originally. Also, parts of the NIO APIs are actually blocking - e.g. the file APIs - so the label “Non-blocking” would be slightly misleading.

Java NIO（新 IO）是 Java 的替代 IO API，意思是标准 Java IO 和 Java Networking API 的替代。 Java NIO 提供了与传统 IO API 不同的 IO 编程模型。注意：有时 NIO 声称是指非阻塞 IO。然而，这并不是 NIO 最初的意思。此外，部分 NIO API 实际上是阻塞的——例如文件 API - 所以标签“非阻塞”会有点误导

**原文链接：[Java NIO Tutorial (jenkov.com)][Java NIO Tutorial _jenkov.com]**

Java NIO 中有三大组件 **Buffer、Channel、Selector**

### 1.1 Buffer ###

一个 Buffer 本质上是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存获取数据

java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现

![757d2156d768d8fcba81aa45d4e53bb2.png][]

其实核心是最后的 **ByteBuffer**，前面的一大串类只是包装了一下它而已，我们使用最多的通常也是 ByteBuffer

我们应该将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int\[\]、char\[\]、double\[\] 等，MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件 操作 Buffer 和操作数组、类集差不多，只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已

下面介绍 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法

#### 1.1.1 position、limit、capacity ####

就像数组有数组容量，每次访问元素要指定下标，Buffer 中也有几个重要属性：position、limit、capacity

![231138d585ace4346b5753d2059f8006.png][]

最好理解的当然是 capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值

position 和 limit 是变化的，我们分别看下读和写操作下，它们是如何变化的

**position** 的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1 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

**Limit**：写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了

![40c9539e41d4a090811f9d8b9d5ec9a3.png][]

#### 1.1.2 初始化 Buffer ####

每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 `allocate(int capacity)` 帮助我们快速实例化一个 Buffer。如：

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
    IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
    LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
    // ...

另外，我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
        ...
    }

#### 1.1.3 填充 Buffer ####

各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的几个 put 方法：

// 填充一个 byte 值
    public abstract ByteBuffer put(byte b);
    // 在指定位置填充一个 int 值
    public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
    // 将一个数组中的值填充进去
    public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
    public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超过 capacity，超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常

对于 Buffer 来说，另一个常见的操作中就是，我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中，在系统层面上，这个操作我们称为**读操作**，因为数据是从外部（文件或网络等）读到内存中

int num = channel.read(buf);

上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小

#### 1.1.4 提取 Buffer 中的值 ####

前面介绍了写操作，每写入一个值，position 的值都需要加 1，所以 position 最后会指向最后一次写入的位置的后面一个，如果 Buffer 写满了，那么 position 等于 capacity（position 从 0 开始）

如果要读 Buffer 中的值，需要切换模式，从写入模式切换到读出模式。注意，**通常在说 NIO 的读操作的时候，我们说的是从 Channel 中读数据到 Buffer 中，对应的是对 Buffer 的写入操作**

调用 Buffer 的 **flip()** 方法，可以从写入模式切换到读取模式。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了

public final Buffer flip() {
        limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
        position = 0; // 重置 position 为 0
        mark = -1; // mark 之后再说
        return this;
    }

对应写入操作的一系列 put 方法，读操作提供了一系列的 get 方法：

// 根据 position 来获取数据
    public abstract byte get();
    // 获取指定位置的数据
    public abstract byte get(int index);
    // 将 Buffer 中的数据写入到数组中
    public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一个经常使用的方法：

new String(buffer.array()).trim();

当然了，除了将数据从 Buffer 取出来使用，更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中，如通过 FileChannel 将数据写入到文件中，通过 SocketChannel 将数据写入网络发送到远程机器等。对应的，这种操作，我们称之为**写操作**

int num = channel.write(buf);

#### 1.1.5 mark() & reset() ####

除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外，还有一个常用的属性就是 mark

mark 用于临时保存 position 的值，每次调用 `mark()` 方法都会将 mark 设值为当前的 position，便于后续需要的时候使用

public final Buffer mark() {
        mark = position;
        return this;
    }

那到底什么时候用呢？考虑以下场景，我们在 position 为 5 的时候，先 `mark()` 一下，然后继续往下读，读到第 10 的时候，我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍，那只要调一下 `reset()` 方法，position 就回到 5 了

public final Buffer reset() {
        int m = mark;
        if (m < 0)
            throw new InvalidMarkException();
        position = m;
        return this;
    }

#### 1.1.6 rewind() & clear() & compact() ####

**`rewind()`**：会重置 position 为 0，通常用于重新从头读写 Buffer

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

**`clear()`**：有点重置 Buffer 的意思，相当于重新实例化 通常，我们会先填充 Buffer，然后从 Buffer 读取数据，之后我们再重新往里填充新的数据，我们一般在重新填充之前先调用 `clear()`

public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }

**`compact()`**：和 `clear()` 一样的是，它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用 前面说的 `clear()` 方法会重置几个属性，但是我们要看到，`clear()` 方法并不会将 Buffer 中的数据清空，只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据，也就相当于清空了数据了

而 `compact()` 方法有点不一样，调用这个方法以后，会先处理还没有读取的数据，也就是 position 到 limit 之间的数据（还没有读过的数据），先将这些数据移到左边，然后在这个基础上再开始写入。很明显，此时 limit 还是等于 capacity，position 指向原来数据的右边

### 1.2 Channel ###

所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地，主要地，我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个 Channel：

![8ffdc24c9b9a9683f4d96199b3772d11.png][]

*  **FileChannel**：文件通道，用于文件的读和写
 *  **DatagramChannel**：用于 UDP 连接的接收和发送
 *  **SocketChannel**：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
 *  **ServerSocketChannel**：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

**这里最应该关注，同样也是重点的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel**

Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 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

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-n9ksT9gJ-1689582759656)(http://img.fan223.cn/2023/05/20230509111347.png)\]

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#### 1.2.1 FileChannel ####

文件操作对于大家来说应该是最熟悉的，不过我们在说 NIO 的时候，其实 FileChannel 并不是关注的重点。而且后面我们说非阻塞的时候会看到，FileChannel 是不支持非阻塞的

**初始化：**

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
    FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();

当然，我们也可以从 RandomAccessFile\#getChannel 来得到 FileChannel

**读取文件内容：**

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    int num = fileChannel.read(buffer);

**写入文件内容：**

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
    // Buffer 切换为读模式
    buffer.flip();
    while(buffer.hasRemaining()) {
        
        // 将 Buffer 中的内容写入文件
        fileChannel.write(buffer);
    }

#### 1.2.2 SocketChannel ####

前面说过，我们可以将 SocketChannel 理解成一个 TCP 客户端。虽然这么理解有点狭隘，因为我们在介绍 ServerSocketChannel 的时候会看到另一种使用方式

打开一个 TCP 连接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.baidu.com", 80));

当然了，上面的这行代码等价于下面的两行：

// 打开一个通道
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    // 发起连接
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.baidu.com", 80));

SocketChannel 的读写和 FileChannel 没什么区别，就是操作缓冲区

// 读取数据
    socketChannel.read(buffer);
    
    // 写入数据到网络连接中
    while(buffer.hasRemaining()) {
        
        socketChannel.write(buffer);   
    }

#### 1.2.3 ServerSocketChannel ####

之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端，这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端 ServerSocketChannel 用于监听机器端口，管理从这个端口进来的 TCP 连接

// 实例化
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    // 监听 8080 端口
    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
    
    while (true) {
        
        // 一旦有一个 TCP 连接进来，就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    }

这里我们可以看到 SocketChannel 的第二个实例化方式，**到这里，我们应该能理解 SocketChannel 了，它不仅仅是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写**

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接

#### 1.2.4 DatagramChannel ####

UDP 和 TCP 不一样，DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端

> UDP 是面向无连接的，不需要和对方握手，不需要通知对方，就可以直接将数据包投出去，至于能不能送达，它是不知道的

**监听端口：**

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    
    channel.receive(buf);

### 1.3 Selector ###

Selector 建立在非阻塞的基础之上，大家经常听到的 **多路复用** 在 Java 世界中指的就是它，用于实现一个线程管理多个 Channel

1、首先，我们开启一个 Selector。翻译成**选择器**也好，**多路复用器**也好

Selector selector = Selector.open();

2、将 Channel 注册到 Selector 上。前面我们说了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式，**FileChannel 不支持非阻塞**，我们这里讨论最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel

// 将通道设置为非阻塞模式，因为默认都是阻塞模式的
    channel.configureBlocking(false);
    // 注册
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

*  SelectionKey.OP\_READ：对应 00000001，通道中有数据可以进行读取
 *  SelectionKey.OP\_WRITE：对应 00000100，可以往通道中写入数据
 *  SelectionKey.OP\_CONNECT：对应 00001000，成功建立 TCP 连接
 *  SelectionKey.OP\_ACCEPT：对应 00010000，接受 TCP 连接

我们可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件，比如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定参数为二进制的 000**1**000**1** 即十进制数值 17 即可 注册方法返回值是 **SelectionKey** 实例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一个叫做 Interest Set 的信息，即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合

3、调用 `select()` 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了 Selector 的操作就是以上 3 步，一个简单的示例如下：

Selector selector = Selector.open();
    
    channel.configureBlocking(false);
    
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    
    while(true) {
        
      // 判断是否有事件准备好
      int readyChannels = selector.select();
      if(readyChannels == 0) continue;
    
      // 遍历
      Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
      while(keyIterator.hasNext()) {
        
        SelectionKey key = keyIterator.next();
    
        if(key.isAcceptable()) {
        
            // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    
        } else if (key.isConnectable()) {
        
            // a connection was established with a remote server.
    
        } else if (key.isReadable()) {
        
            // a channel is ready for reading
    
        } else if (key.isWritable()) {
        
            // a channel is ready for writing
        }
    
        keyIterator.remove();
      }
    }

对于 Selector，我们还需要非常熟悉以下几个方法：

*  **`select()`**：调用此方法，会将**上次 select 之后的**准备好的 channel 对应的 SelectionKey 复制到 selected set 中。如果没有任何通道准备好，这个方法会阻塞，直到至少有一个通道准备好
 *  **`selectNow()`**：功能和 select 一样，区别在于如果没有准备好的通道，那么此方法会立即返回 0
 *  **`select(long timeout)`**：看了前面两个，这个应该很好理解了，如果没有通道准备好，此方法会等待一会
 *  **`wakeup()`**：这个方法是用来唤醒等待在 `select()` 和 `select(timeout)` 上的线程的。如果 `wakeup()` 先被调用，此时没有线程在 select 上阻塞，那么之后的一个 `select()` 或 `select(timeout)` 会立即返回，而不会阻塞，当然，它只会作用一次

### 1.4 小结 ###

到此为止，介绍了 Buffer、Channel 和 Selector 的常见接口

*  Buffer 和数组差不多，它有 position、limit、capacity 几个重要属性。`put()` 一下数据、`flip()` 切换到读模式、然后用 `get()` 获取数据、`clear()`一下清空数据、重新回到 `put()` 写入数据
 *  Channel 基本上只和 Buffer 打交道，最重要的接口就是 `channel.read(buffer)` 和 `channel.write(buffer)`
 *  Selector 用于实现非阻塞 IO

## 2. 阻塞模式 IO ##

前面已经介绍过使用 Java NIO 包组成一个简单的**客户端-服务端**网络通讯所需要的 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 Buffer，我们这里整合一下它们，给出一个完整的可运行的例子：

**1、服务端，即 ServerSocketChannel**

@Slf4j
    public class ServerSocketChannelTest {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 监听 8080 端口进来的 TCP 链接
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
    
            while (true) {
        
                // 这里会阻塞，直到有一个请求的连接进来
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                // 开启一个新的线程来处理这个请求，然后在 while 循环中继续监听 8080 端口
                SocketHandler handler = new SocketHandler(socketChannel);
                new Thread(handler).start();
            }
        }
    }

**2、新线程的处理器，SocketHandler**

@Slf4j
    public class SocketHandler implements Runnable {
        
    
        private final SocketChannel socketChannel;
    
        public SocketHandler(SocketChannel socketChannel) {
        
            this.socketChannel = socketChannel;
        }
    
        @Override
        public void run() {
        
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            try {
        
                // 将请求数据读入 Buffer 中
                int num;
                while ((num = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
        
                    // 读取 Buffer 内容之前先 flip 一下
                    buffer.flip();
    
                    // 提取 Buffer 中的数据
                    byte[] bytes = new byte[num];
                    buffer.get(bytes);
    
                    String re = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
                    log.info("收到请求: " + re);
    
                    // 回应客户端
                    ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(("我已经收到你的请求, 你的请求内容是: " + re).getBytes());
                    socketChannel.write(writeBuffer);
    
                    buffer.clear();
                }
            } catch (IOException e) {
        
                IOUtils.closeQuietly(socketChannel);
            }
        }
    }

**3、客户端，即 SocketChannel**

@Slf4j
    public class SocketChannelTest {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    
            // 发送请求
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("1234567890".getBytes());
            socketChannel.write(buffer);
    
            // 读取响应
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int num;
            if ((num = socketChannel.read(readBuffer)) > 0) {
        
                readBuffer.flip();
    
                byte[] re = new byte[num];
                readBuffer.get(re);
    
                String result = new String(re, StandardCharsets.UTF_8);
                log.info("返回值: " + result);
            }
        }
    }

**4、运行结果**

先启动服务端，可以看到服务端正在监听

![7139b505cd138a0e8ba55aab31653a45.png][]

然后再启动客户端，接收到了服务端返回的消息

![e7cc68667f88434d0dd373a23fb70531.png][]

同时服务端接收到客户端传递的消息

![25edbba76d480f2f9e1532e23abafc41.png][]

再多运行几次客户端，可以看到来一个新的连接，服务端就新开一个线程来处理这个连接，之后的操作全部由那个线程来完成

![139b3c2a2a476f18feecf69b414da90f.png][]

那么，这个模式下的性能瓶颈在哪里呢？

*  首先，每次来一个连接都开一个新的线程这肯定是不合适的。当活跃连接数在几十几百的时候当然是可以这样做的，但如果活跃连接数是几万几十万的时候，这么多线程明显就不行了。每个线程都需要一部分内存，内存会被迅速消耗，同时，线程切换的开销非常大
 *  其次，阻塞操作在这里也是一个问题。首先，`accept()` 是一个阻塞操作，当 `accept()` 返回的时候，代表有一个连接可以使用了，我们这里是马上就新建线程来处理这个 SocketChannel 了，但是，但是这里不代表对方就将数据传输过来了。所以，SocketChannel\#read 方法将阻塞，等待数据，明显这个等待是不值得的。同理，write 方法也需要等待通道可写才能执行写入操作，这边的阻塞等待也是不值得的

## 3. 非阻塞 IO ##

说完了阻塞模式的使用及其缺点以后，我们这里就可以介绍非阻塞 IO 了

非阻塞 IO 的核心在于使用一个 Selector 来管理多个通道，可以是 SocketChannel，也可以是 ServerSocketChannel，将各个通道注册到 Selector 上，指定监听的事件

之后可以只用一个线程来轮询这个 Selector，看看上面是否有通道是准备好的，当通道准备好可读或可写，然后才去开始真正的读写，这样速度就很快了。我们就完全没有必要给每个通道都起一个线程

NIO 中 Selector 是对底层操作系统实现的一个抽象，管理通道状态其实都是底层系统实现的，这里简单介绍下在不同系统下的实现

*  **select**：上世纪 80 年代就实现了，它支持注册 FD\_SETSIZE(1024) 个 socket，在那个年代肯定是够用的，不过现在嘛，肯定是不行了
 *  **poll**：1997 年，出现了 poll 作为 select 的替代者，最大的区别就是，poll 不再限制 socket 数量

select 和 poll 都有一个共同的问题，那就是**它们都只会告诉你有几个通道准备好了，但是不会告诉你具体是哪几个通道**。所以，一旦知道有通道准备好以后，自己还是需要进行一次扫描，显然这个不太好，通道少的时候还行，一旦通道的数量是几十万个以上的时候，扫描一次的时间都很可观了，时间复杂度 O(n)。所以，后来才催生了以下实现

*  **epoll**：2002 年随 Linux 内核 2.5.44 发布，epoll 能直接返回具体的准备好的通道，时间复杂度 O(1)

除了 Linux 中的 epoll，2000 年 FreeBSD 出现了 **Kqueue**，还有就是，Solaris 中有 **/dev/poll**

前面说了那么多实现，但是没有出现 Windows，Windows 平台的非阻塞 IO 使用 select，我们也不必觉得 Windows 很落后，在 Windows 中 IOCP 提供的异步 IO 是比较强大的

回到 Selector，毕竟 JVM 就是这么一个屏蔽底层实现的平台，**我们面向 Selector 编程就可以了** 在介绍 Selector 的时候已经了解过了它的基本用法，这边来一个可运行的实例代码，如下：

@Slf4j
    public class SelectorServer {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            Selector selector = Selector.open();
    
            ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
            server.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
    
            // 将其注册到 Selector 中，监听 OP_ACCEPT 事件
            server.configureBlocking(false);
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
            while (true) {
        
                int readyChannels = selector.select();
                if (readyChannels == 0) {
        
                    continue;
                }
    
                Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
                // 遍历
                Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
        
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
    
                    if (key.isAcceptable()) {
        
                        // 有已经接受的新的到服务端的连接
                        SocketChannel socketChannel = server.accept();
    
                        // 有新的连接并不代表这个通道就有数据，
                        // 这里将这个新的 SocketChannel 注册到 Selector，监听 OP_READ 事件，等待数据
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (key.isReadable()) {
        
                        // 有数据可读
                        // 上面一个 if 分支中注册了监听 OP_READ 事件的 SocketChannel
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
                        try {
        
                            int num = socketChannel.read(readBuffer);
                            if (num > 0) {
        
                                // 处理进来的数据...
                                log.info("收到数据：" + new String(readBuffer.array()).trim());
                                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("返回给客户端的数据...".getBytes());
                                socketChannel.write(buffer);
                            } else if (num == -1) {
        
                                // -1 代表连接已经关闭
                                socketChannel.close();
                            }
                        } catch (IOException e) {
        
                            socketChannel.close();
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

客户端代码用前面的即可，然后运行结果和前面一样，只是新的连接不再创建新线程来完成

## 4. NIO.2 异步 IO（AIO） ##

More New IO，或称 NIO.2，随 JDK 1.7 发布，包括了引入异步 IO 接口和 Paths 等文件访问接口

异步这个词，我想对于绝大多数开发者来说都很熟悉，很多场景下我们都会使用异步

通常，我们会有一个线程池用于执行异步任务，提交任务的线程将任务提交到线程池就可以立马返回，不必等到任务真正完成。如果想要知道任务的执行结果，通常是通过传递一个回调函数的方式，任务结束后去调用这个函数

同样的原理，Java 中的异步 IO 也是一样的，都是由一个线程池来负责执行任务，然后使用回调或自己去查询结果。**异步 IO 主要是为了控制线程数量，减少过多的线程带来的内存消耗和 CPU 在线程调度上的开销**

**在 Unix/Linux 等系统中，JDK 使用了并发包中的线程池来管理任务**，具体可以查看 AsynchronousChannelGroup 的源码

在 Windows 操作系统中，提供了一个叫做[I/O Completion Ports][I_O Completion Ports] 的方案，通常简称为 **IOCP**，操作系统负责管理线程池，其性能非常优异，所以**在 Windows 中 JDK 直接采用了 IOCP 的支持**，使用系统支持，把更多的操作信息暴露给操作系统，也使得操作系统能够对我们的 IO 进行一定程度的优化

> 在 Linux 中其实也是有异步 IO 系统实现的，但是限制比较多，性能也一般，所以 JDK 采用了自建线程池的方式

总共有三个类需要我们关注，分别是 **AsynchronousSocketChannel**，**AsynchronousServerSocketChannel** 和 **AsynchronousFileChannel**，只不过是在之前介绍的 FileChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel 的类名上加了个前缀 **Asynchronous**

Java 异步 IO 提供了两种使用方式，分别是返回 Future 实例和使用回调函数

### 4.1 返回 Future 实例 ###

返回 java.util.concurrent.Future 实例的方式我们应该很熟悉，JDK 线程池就是这么使用的。Future 接口的几个方法语义在这里也是通用的，这里先做简单介绍

*  `future.isDone();`：判断操作是否已经完成，包括了**正常完成、异常抛出、取消**
 *  `future.cancel(true);`：取消操作，方式是中断。参数 true 说的是，即使这个任务正在执行，也会进行中断
 *  `future.isCancelled();`：是否被取消，只有在任务正常结束之前被取消，这个方法才会返回 true
 *  `future.get();`：获取执行结果，阻塞
 *  `future.get(10, TimeUnit.SECONDS);`：如果上面的 `get()` 方法的阻塞你不满意，那就设置个超时时间

### 4.2 提供 CompletionHandler 回调函数 ###

java.nio.channels.CompletionHandler 接口定义：

public interface CompletionHandler<V,A> {
        
    
        void completed(V result, A attachment);
    
        void failed(Throwable exc, A attachment);
    }

> 注意，参数上有个 attachment，虽然不常用，我们可以在各个支持的方法中传递这个参数值

AsynchronousServerSocketChannel listener = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(null);
    
    // accept 方法的第一个参数可以传递 attachment
    listener.accept(attachment, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
        
        public void completed(
          AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {
        
              // 
          }
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        
              // 
          }
    });

### 4.3 AsynchronousFileChannel ###

异步的文件 IO，前面我们说了，文件 IO 在所有的操作系统中都不支持非阻塞模式，但是我们可以对文件 IO 采用异步的方式来提高性能

下面是 AsynchronousFileChannel 里面的一些重要的接口：

**实例化：**

AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("/Users/hongjie/test.txt"));

一旦实例化完成，我们就可以着手准备**将数据读入到 Buffer 中**：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    Future<Integer> result = channel.read(buffer, 0);

> 异步文件通道的读操作和写操作都需要提供一个文件的开始位置，文件开始位置为 0

除了使用返回 Future 实例的方式，也可以采用回调函数进行操作，接口如下：

public abstract <A> void read(ByteBuffer dst,
                                  long position,
                                  A attachment,
                                  CompletionHandler<Integer,? super A> handler);

顺便也贴一下写操作的两个版本的接口：

public abstract Future<Integer> write(ByteBuffer src, long position);
    
    public abstract <A> void write(ByteBuffer src,
                                   long position,
                                   A attachment,
                                   CompletionHandler<Integer,? super A> handler);

我们可以看到，AIO 的读写主要也还是与 Buffer 打交道，这个与 NIO 是一脉相承的 另外，还提供了用于将内存中的数据刷入到磁盘的方法：

public abstract void force(boolean metaData) throws IOException;

> 因为我们对文件的写操作，操作系统并不会直接针对文件操作，系统会缓存，然后周期性地刷入到磁盘。如果希望将数据及时写入到磁盘中，以免断电引发部分数据丢失，可以调用此方法。参数如果设置为 true，意味着同时也将文件属性信息更新到磁盘

还有，还提供了对文件的锁定功能，我们可以锁定文件的部分数据，这样可以进行排他性的操作

public abstract Future<FileLock> lock(long position, long size, boolean shared);

> position 是要锁定内容的开始位置，size 指示了要锁定的区域大小，shared 指示需要的是共享锁还是排他锁

当然，也可以使用回调函数的版本：

public abstract <A> void lock(long position,
                                  long size,
                                  boolean shared,
                                  A attachment,
                                  CompletionHandler<FileLock,? super A> handler);

文件锁定功能上还提供了 tryLock 方法，此方法会快速返回结果：

public abstract FileLock tryLock(long position, long size, boolean shared)
        throws IOException;

> 这个方法很简单，就是尝试去获取锁，如果该区域已被其他线程或其他应用锁住，那么立刻返回 null，否则返回 FileLock 对象

### 4.4 AsynchronousServerSocketChannel ###

这个类对应的是非阻塞 IO 的 ServerSocketChannel，可以类比下使用方式

@Slf4j
    public class AsynchronousServer {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            // 实例化，并监听端口
            AsynchronousServerSocketChannel server =
                    AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));
    
            // 自己定义一个 Attachment 类，用于传递一些信息
            Attachment att = new Attachment();
            att.setServer(server);
    
            server.accept(att, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Attachment>() {
        
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Attachment att) {
        
                    try {
        
                        SocketAddress clientAddr = client.getRemoteAddress();
                        log.info("收到新的连接：" + clientAddr);
    
                        // 收到新的连接后，server 应该重新调用 accept 方法等待新的连接进来
                        att.getServer().accept(att, this);
    
                        Attachment newAtt = new Attachment();
                        newAtt.setServer(server);
                        newAtt.setClient(client);
                        newAtt.setReadMode(true);
                        newAtt.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048));
    
                        // 这里也可以继续使用匿名实现类，不过代码不好看，所以这里专门定义一个类
                        client.read(newAtt.getBuffer(), newAtt, new ChannelHandler());
                    } catch (IOException ex) {
        
                        ex.printStackTrace();
                    }
                }
    
                @Override
                public void failed(Throwable t, Attachment att) {
        
                    log.info("accept failed");
                }
            });
    
            // 为了防止 main 线程退出
            try {
        
                Thread.currentThread().join();
            } catch (InterruptedException e) {
        
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }

ChannelHandler 服务端处理器

@Slf4j
    public class ChannelHandler implements CompletionHandler<Integer, Attachment> {
        
    
        @Override
        public void completed(Integer result, Attachment att) {
        
            if (att.isReadMode()) {
        
                // 读取来自客户端的数据
                ByteBuffer buffer = att.getBuffer();
                buffer.flip();
                byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
                buffer.get(bytes);
                String msg = new String(buffer.array()).trim();
                log.info("收到来自客户端的数据: " + msg);
    
                // 响应客户端请求，返回数据
                buffer.clear();
                buffer.put("Response from server!".getBytes(Charset.forName(StandardCharsets.UTF_8.toString())));
                att.setReadMode(false);
                buffer.flip();
                // 写数据到客户端也是异步
                att.getClient().write(buffer, att, this);
            } else {
        
                // 到这里，说明往客户端写数据也结束了，有以下两种选择:
                // 1. 继续等待客户端发送新的数据过来
    //            att.setReadMode(true);
    //            att.getBuffer().clear();
    //            att.getClient().read(att.getBuffer(), att, this);
                try {
        
                    // 2. 既然服务端已经返回数据给客户端，断开这次的连接
                    att.getClient().close();
                } catch (IOException ignored) {
        
                }
            }
        }
    
        @Override
        public void failed(Throwable exc, Attachment attachment) {
        
            log.info("连接断开");
        }
    }

自定义的 Attachment 类

@Data
    public class Attachment {
        
    
        private AsynchronousServerSocketChannel server;
    
        private AsynchronousSocketChannel client;
    
        private boolean isReadMode;
    
        private ByteBuffer buffer;
    }

### 4.5 AsynchronousSocketChannel ###

AsynchronousSocketChannel 和前面的非阻塞 IO 基本类似

public class AsynchronousClient {
        
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {
        
            AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
            // 来个 Future 形式的
            Future<?> future = client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
            // 阻塞一下，等待连接成功
            future.get();
    
            Attachment att = new Attachment();
            att.setClient(client);
            att.setReadMode(false);
            att.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048));
            byte[] data = "I am obot!".getBytes();
            att.getBuffer().put(data);
            att.getBuffer().flip();
    
            // 异步发送数据到服务端
            client.write(att.getBuffer(), att, new ClientChannelHandler());
    
            // 这里休息一下再退出，给出足够的时间处理数据
            Thread.sleep(2000);
        }
    }

ClientChannelHandler 客户端处理器

@Slf4j
    public class ClientChannelHandler implements CompletionHandler<Integer, Attachment> {
        
    
        @Override
        public void completed(Integer result, Attachment att) {
        
            ByteBuffer buffer = att.getBuffer();
            if (att.isReadMode()) {
        
                // 读取来自服务端的数据
                buffer.flip();
                byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
                buffer.get(bytes);
                String msg = new String(bytes, Charset.forName(StandardCharsets.UTF_8.toString()));
                log.info("收到来自服务端的响应数据: " + msg);
    
                // 接下来，有以下两种选择:
                // 1. 向服务端发送新的数据
    //            att.setReadMode(false);
    //            buffer.clear();
    //            String newMsg = "new message from client";
    //            byte[] data = newMsg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"));
    //            buffer.put(data);
    //            buffer.flip();
    //            att.getClient().write(buffer, att, this);
                try {
        
                    // 2. 关闭连接
                    att.getClient().close();
                } catch (IOException ignored) {
        
                }
            } else {
        
                // 写操作完成后，会进到这里
                att.setReadMode(true);
                buffer.clear();
                att.getClient().read(buffer, att, this);
            }
        }
    
        @Override
        public void failed(Throwable exc, Attachment attachment) {
        
            log.info("服务器无响应");
        }
    }

**运行结果：**

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8EP3nyQD-1689582759658)(http://img.fan223.cn/2023/05/20230509163807.png)\]

![024f1f9b4f985a63d4793a6cb2458a11.png][]

### 4.6 Asynchronous Channel Groups ###

之前我们说过，异步 IO 一定存在一个线程池，这个线程池负责接收任务、处理 IO 事件、回调等。这个线程池就在 group 内部，group 一旦关闭，那么相应的线程池就会关闭

AsynchronousServerSocketChannels 和 AsynchronousSocketChannels 是属于 group 的，当我们调用 AsynchronousServerSocketChannel 或 AsynchronousSocketChannel 的 `open()` 方法的时候，相应的 channel 就属于默认的 group，这个 group 由 JVM 自动构造并管理

如果我们想要配置这个默认的 group，可以在 JVM 启动参数中指定以下系统变量：

*  `java.nio.channels.DefaultThreadPool.threadFactory`：此系统变量用于设置 ThreadFactory，它应该是 java.util.concurrent.ThreadFactory 实现类的全限定类名。一旦我们指定了这个 ThreadFactory 以后，group 中的线程就会使用该类产生
 *  `java.nio.channels.DefaultThreadPool.initialSize`：此系统变量也很好理解，用于设置线程池的初始大小

可能你会想要使用自己定义的 group，这样可以对其中的线程进行更多的控制，使用以下几个方法即可：

*  `AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(ExecutorService executor, int initialSize)`
 *  `AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)`
 *  `AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(ExecutorService executor)`

熟悉线程池的读者对这些方法应该很好理解，它们都是 AsynchronousChannelGroup 中的静态方法 至于 group 的使用就很简单了

AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup
            .withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
    AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group);
    AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(group);

**AsynchronousFileChannels 不属于 group**。但是它们也是关联到一个线程池的，如果不指定，会使用系统默认的线程池，如果想要使用指定的线程池，可以在实例化的时候使用以下方法：

public static AsynchronousFileChannel open(Path file,
                                               Set<? extends OpenOption> options,
                                               ExecutorService executor,
                                               FileAttribute<?>... attrs) {
        
        ...
    }

[Java NIO Tutorial _jenkov.com]: https://jenkov.com/tutorials/java-nio/index.html
[757d2156d768d8fcba81aa45d4e53bb2.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/757d2156d768d8fcba81aa45d4e53bb2.png
[231138d585ace4346b5753d2059f8006.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/231138d585ace4346b5753d2059f8006.png
[40c9539e41d4a090811f9d8b9d5ec9a3.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/40c9539e41d4a090811f9d8b9d5ec9a3.png
[8ffdc24c9b9a9683f4d96199b3772d11.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8ffdc24c9b9a9683f4d96199b3772d11.png
[b46fd785a9dcbce19457e7a190b05f11.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b46fd785a9dcbce19457e7a190b05f11.png
[7139b505cd138a0e8ba55aab31653a45.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7139b505cd138a0e8ba55aab31653a45.png
[e7cc68667f88434d0dd373a23fb70531.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/e7cc68667f88434d0dd373a23fb70531.png
[25edbba76d480f2f9e1532e23abafc41.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/25edbba76d480f2f9e1532e23abafc41.png
[139b3c2a2a476f18feecf69b414da90f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/139b3c2a2a476f18feecf69b414da90f.png
[I_O Completion Ports]: https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/fileio/i-o-completion-ports?redirectedfrom=MSDN
[024f1f9b4f985a63d4793a6cb2458a11.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/024f1f9b4f985a63d4793a6cb2458a11.png