NIO详解（四）：NIO编程

青旅半醒 2022-01-28 23:27 370阅读 0赞

# 1. NIO类库简介 #

## 1.1 缓冲区Buffer ##

Buffer是一个对象，它包含了一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库和原来I/O的一个重要区别。在NIO库中，所有的数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读取到缓冲区中的；在写入到缓冲区时。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数据（ByteBuffer），也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区还提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。

*  ByteBuffer:字节缓冲区
 *  CharBuffer：字符缓冲区
 *  ShortBuffer：短整形缓冲区
 *  IntBuffer：整形缓冲区
 *  LongBuffer：长整形缓冲区
 *  FloatBuffer：浮点型缓冲区
 *  DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区

缓冲区的继承关系如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1.2 通道Channel ##

Channel是一个通道，它就像自来水管道一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流不同之处在于通道它是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而通道可以用于读、写或者二者同时进行。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更加映射底层操作系统地API。从类图中可以看出，实际上Channel可以分为两大类：用于网络读写的SelectabaleChannel和用于文件操作的FileChannel。ServerSocketChannel是一个可以监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中的ServerSocket一样。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 1.3 多路复用器Selector ##

Select会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel集合，进行后续的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的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

# 2. NIO服务端序列图 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

一。 打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接。

ServerSocketChannel servChannel=ServerSocketChannel.open();

二。绑定监听端口，设置连接为非阻塞状态。

servChannel.configureBlocking(false);
    servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);

三。创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程。

Selector selector = Selector.open();

四。将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件

servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

五。多路复用器在线程run方法的无线循环体内轮询准备就绪的Key。

六。多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路。

if (key.isAcceptable()) { 
    		// Accept the new connection
    		ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
    		SocketChannel sc = ssc.accept();
    }

七。设置客户端链路为非阻塞模式

sc.configureBlocking(false);

八。将接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息。

sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

九。异步读取客户端请求消息到缓冲区。

if (key.isReadable()) { 
    		// Read the data
    		SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    		ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    		int readBytes = sc.read(readBuffer);
            .....
     }

十。对ByteBuffer进行编码解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。

Object message=null;
    while(buffer.hasRemain()){ 
        bytebuffer.mark();
        Object message=decode(byteBuffer);
        if(message==null){ 
            byteBufer.reset();
            break;
        }
        messageList.add(message);
    }
    if(!bytebuffer.hasRemain()){ 
        byteBuffer.clear();
    }else
        byteBuffer.compact();
    
    if(messageList!=null & !messageList.isEmpty()){ 
        for(Obbject messageE:messagList){ 
            handlerTask(messageE)
        }
    }

十一。将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。

socketChannel.write(buffer).

# 3. NIO客户端序列图 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

一。打开SocketChannel，绑定客户端本地地址。

SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

二。设置SocketChannel为非阻塞模式，同时设置客户端连接的TCP参数。

socketChannel.configureBlocking(false);
    socketChannel.socket().setReuseAddress(true);

三。异步连接服务器。判断是否连接成功，如果连接成功，则直接注册读取状态到多路复用器中，如果当前没有连接成功，则向Reactor的多路复用器注册OP\_CONNECT状态为，监听服务器端的TCP ACK应答。

// 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
    	if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) { 
    	    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    	    doWrite(socketChannel);
    	} else
    	    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

四。创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程。

Selector selector = Selector.open();

五。多路复用器在线程run方法的无线循环体内轮询准备就绪的Key。

while (!stop) { 
    	    try { 
    		selector.select(1000);
    		Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    		Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
    		SelectionKey key = null;
    		while (it.hasNext()) { 
    		    key = it.next();
    		    it.remove();
    		    try { 
    			handleInput(key);
    		    } catch (Exception e) { 
    			if (key != null) { 
    			    key.cancel();
    			    if (key.channel() != null)
    				key.channel().close();
    			}
    		    }
    		}
    	    } catch (Throwable t) { 
    		t.printStackTrace();
    	    }
    	}
    
    六。接受connect事件处理。判断连接结果，如果连接成功，注册连接事件到多路复用器。注册读事件到多路复用器中。
    ```java
    if (key.isConnectable()) { 
    		if (sc.finishConnect()) { 
    		    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    		    doWrite(sc);
    		} else
    		    System.exit(1);// 连接失败，进程退出
    	    }

七。异步读取客户端请求消息到缓冲区。

八。对ByteBuffer进行编码解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。

九。将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。

socketChannel.write(buffer).

# 4. 总结 #

通过源码分析，我们发现NIO编程的难度确实比同步阻塞BIO的大很多，我们的NIO程序中还没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码会更加复杂。使用NIO编程的优点如下：

>  *  客户端发起连接的操作是异步的，可以通过多路复用器注册OP\_CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
>  *  SocketChannel的读写操作是异步的，如果没有可读写的数据它不会等待，直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其他链路，不需要同步等待这个链路可用。
>  *  线程模型的优化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄的限制。

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