☀️ JAVA NIO? 看这一篇就够了！! ☀️

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-09-10 06:26 125阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、NIO 简介
     *   *  1.1 NIO 概述
         *  1.2 NIO&IO 分析
         *   *  1.2.1 IO 操作流程
             *  1.2.2 面向流与面向缓冲区
             *  1.2.3 阻塞与非阻塞
             *  1.2.4. 同步与异步
     *  二、Buffer 基本应用
     *   *  2.1 Buffer 概述
         *  2.2 Buffer 基本应用
     *  三、Channel 基本应用
     *   *  3.1 Channel 概述
         *  3.2 FileChannel 基本应用
         *  3.3 SocketChanel 基本应用
     *  四、Selector 基本应用
     *   *  4.1 Selector 概述
         *  4.2 Selector 基本应用
     *  五、Tomcat 中的 NIO 应用
     *   *  5.1 Tomcat 核心架构
         *  5.2 Tomcat 中的 NIO 应用配置
         *  5.3 Tomcat 中的 NIO 应用设计
     *  六、Netty 中的 NIO 应用
     *   *  6.1 Netty 中的 NIO 模型分析
         *  6.2 Netty 中的 NIO 案例分析
         *   *  6.2.1 Netty 服务端入门实现
             *  6.2.2 Netty 客户端入门实现
     *  七、NIO 应用总结分析
     *   *  7.1 重难点分析
         *  7.2 相关 FAQ

--------------------

## 一、NIO 简介 ##

### 1.1 NIO 概述 ###

Java NIO（New IO）是从 Java 1.4 版本开始引入的一组新的 IO API（其核心构成有 Channels，Buffers，Selectors 三部分），目的主要是基于这组 API 改善 IO操作性能。

### 1.2 NIO&IO 分析 ###

#### 1.2.1 IO 操作流程 ####

对于一个 network IO (这里我们以 read 举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个 IO 的 process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个 read 操作发生时，该操作会经历两个阶段：

1.  将数据拷贝到操作系统内核 Buffer。
2.  将操作系统内核数据拷贝到用户进程。

#### 1.2.2 面向流与面向缓冲区 ####

Java NIO 和 IO 之间第一个最大的区别是：IO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。例如：

1.  面向流的操作（**输入&输出流操作是单向的**）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]
2.  面向缓冲区的操作：（**操作是双向且可移动指针**）  
    ![在这里插入图片描述][cc16aaaae09e4ec38d8a4b721d6f07e4.png]
    
    **说明：**  
    面向缓冲区的操作时，是缓冲区中的读写模式进行操作，写模式用于向缓冲区写数据，读模式用于从缓冲区读。

#### 1.2.3 阻塞与非阻塞 ####

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核 IO 操作的方式。

1.  **阻塞:** 是指调用操作需要等待结果的完成，同时会影响后操作的执行。例如阻塞式 IO 操作，用户线程会在内核等待数据以及拷贝数据期间都处于阻塞状态。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
    整个 IO 请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起 IO 请求时，不能做任何事情，对 CPU 的资源利用率不够。
    
    话外音：小李去火车站买票，排队两天买到一张票。
2.  **非阻塞:** 是指 IO 操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到 IO 操作彻底完成。例如：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    虽然用户线程每次发起 IO 请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的 CPU 的资源。
    
    话外音：小李去火车站买票，火车站没票，然后每隔 3 小时去火车站问有没有人退票，两天天后买到一张票
    
    为了避免同步非阻塞 IO 模型中轮询等待的问题，基于内核提供的多路分离函数 select(),可以实现 IO 的多路复用，例如:  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
    使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket的 IO 请求。用户可以注册多个 socket，然后不断地调用 select 读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个 IO 请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。
    
    话外音：小李去火车站买票，委托黄牛，然后每隔 1 小时电话黄牛询问，黄牛两天内买到票，然后老李去火车站交钱领票。
    
    这里的 select 函数是阻塞的，因此多路 IO 复用模型也被称为异步阻塞 IO模型。注意，这里的所说的阻塞是指 select 函数执行时线程被阻塞，而不是指socket。

#### 1.2.4. 同步与异步 ####

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式。

1.  同步是指用户线程发起 IO 请求后需要等待或者轮询内核 IO 操作完成后才能继续执行。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    **说明：** 这种用户线程轮询的改进方式是 IO 多路复用的实现。
2.  异步是指用户线程发起 IO 请求后仍继续执行，当内核 IO 操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数，例如:  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
    **说明：**
    
    异步 IO 的实现需要操作系统的支持，目前系统对异步 IO 的支持并非特别完善，更多的是采用 IO 多路复用模型模拟异步 IO 的方式。
    
    话外音:小李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知小李并快递送票上门

## 二、Buffer 基本应用 ##

### 2.1 Buffer 概述 ###

缓冲区本质上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 NIO Buffer 对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Java NIO 里关键的 Buffer 实现：

1.  ByteBuffer
2.  CharBuffer
3.  DoubleBuffer
4.  FloatBuffer
5.  IntBuffer
6.  LongBuffer
7.  ShortBuffer

这些 Buffer 覆盖了你能通过 IO 发送的基本数据类型：byte，short，int，long，float，double 和 char。

**说明：** 实际的项目中的物理 I/O 操作相比与内存操作要慢数千倍，所以一般为了提高应用程序的性能通常会对数据进行缓存。我们的 JAVA 应用程序和物理磁盘间通常会有多级缓存，例如：  
![在这里插入图片描述][a84d94f17a374c73a735c473d37e8d43.png]  
其中：

1.  **Disk Drive Buffer(磁盘缓存):** 位于磁盘驱动器中的 RAM，将磁盘数据移  
    动到磁盘缓冲区是一件相当耗时的操作。
2.  **OS Buffer(系统缓存):** 操作系统自己缓存，可以在应用程序间共享数据
3.  **Application Buffer(应用缓存)：** 应用程序的私有缓存(JVM进程)。

### 2.2 Buffer 基本应用 ###

使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤：

1.  写入数据到 Buffer
2.  调用 `flip()` 方法（切换模式）
3.  从 Buffer 中读取数据
4.  调用 `clear()` 方法或者 `compact()` 方法

当向 buffer 写入数据时，buffer 会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过 flip()方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到 buffer 的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用 `clear()` 或 `compact()` 方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

@Test
    public void testBuffer01(){ 
    	//构建一个缓冲区对象(在JVM内存中分配一块区域)
    	ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(1024);
    	System.out.println("===数据写入前===");
    	doPrint(buf.position(),buf.limit(),buf.capacity());
    	//向缓冲区写入数据
    	byte []data="hello".getBytes();
    	buf.put(data);//放入缓冲区
    	System.out.println("===数据写入后===");
    	doPrint(buf.position(),buf.limit(),buf.capacity());
    	//切换模式(底层同时会移动指针,position位置会发生变换)
    	buf.flip();
    	System.out.println("===读数据之前===");
    	doPrint(buf.position(),buf.limit(),buf.capacity());
    	byte c1=buf.get();
    	System.out.println((char)c1);
    	System.out.println("===读数据之后===");
    	doPrint(buf.position(),buf.limit(),buf.capacity());
    }

private void doPrint(int pos,int limit,int cap){ 
    	System.out.println("position:"+pos);
    	System.out.println("limit:"+limit);
    	System.out.println("capacity:"+cap);
    }

缓冲区本质上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 NIO Buffer 对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解 Buffer 的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

1.  capacity 容量
2.  position 位置
3.  limit 限制

position 和 limit 的含义取决于 Buffer 处在读模式还是写模式。不管 Buffer处在什么模式，capacity 的含义总是一样的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_11_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]  
**Capacity**  
作为一个内存块，Buffer 有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写 capacity 个 byte、long，char 等类型数据。一旦 Buffer 满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续往里写数据。

**position**  
当你写数据到 Buffer 中时，position 表示当前的位置。初始的 position 值 为 0。当一个 byte、long 等数据写到 Buffer 后， position 会向前移动到下一个可插入数据的 Buffer 单元。position 最大可为 capacity – 1.  
当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将 Buffer 从写模式切换到读模式，position 会被重置为 0. 当从 Buffer 的 position 处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

**limit**  
在写模式下，Buffer 的 limit 表示你最多能往 Buffer 里写多少数据。 写模式下，limit 等于 Buffer 的 capacity。  
当切换 Buffer 到读模式时， limit 表示你最多能读到多少数据。因此，当切换 Buffer 到读模式时，limit 会被设置成写模式下的 position 值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit 被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是 position）

## 三、Channel 基本应用 ##

### 3.1 Channel 概述 ###

NIO 是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）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。如图所示：  
![在这里插入图片描述][7422b02bfa4d4750bc1e5f2cfa5007af.png_pic_center]  
NIO 中 Channel 的一些具体实现类有：

1.  FileChannel ：从文件中读写数据。
2.  DatagramChannel ：能通过 UDP 读写网络中的数据。
3.  SocketChannel ：能通过 TCP 读写网络中的数据。
4.  ServerSocketChannel 可以监听新进来的 TCP 连接，像 Web 服务器那样。

正如你所看到的，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO，以及文件 IO。

### 3.2 FileChannel 基本应用 ###

借助 Channel 对象（FileChannel 类型），从文件读取数据。代码示例：

案例1：

@Test
    public void testFileChannel()throws Exception{ 
    	//构建一个Buffer对象(缓冲区)：JVM内存
    	ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(1024);
    	//构建一个文件通道对象(可以读写数据)
    	FileChannel fChannel=FileChannel.open(Paths.get("data.txt"),StandardOpenOption.READ);//读模式
    	//将文件内容读到缓冲区(ByteBuffer)
    	fChannel.read(buf);
    	System.out.println("切换buf模式，开始从buf读数据");
    	System.out.println(buf.position());
    	//从Buffer中取数据
    	buf.flip();
    	System.out.println(buf.position());
    	System.out.println(new String(buf.array()));
    	buf.clear();//不是是清除，而将数据标记为脏数据(无用数据)
    	//释放资源
    	fChannel.close();
    }

案例2：

@Test
    public void testFileChannel()throws Exception{ 
    	//构建一个Buffer对象(缓冲区)：JVM内存
    	ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(2);
    	//构建一个文件通道对象(可以读写数据)
    	FileChannel fChannel=FileChannel.open(Paths.get("data.txt"),StandardOpenOption.READ);//读模式
    	//将文件内容读到缓冲区(ByteBuffer)
    	int len=-1;
    	do{ 
    		len=fChannel.read(buf);
    		System.out.println("切换buf模式，开始从buf读数据");
    		buf.flip();
    		//判定缓冲区中是否有剩余数据
    		while(buf.hasRemaining()){ 
    			System.out.print((char)buf.get());//每次都1个字节
    		}
    		System.out.println();
    		buf.flip();
    		buf.clear();//每次读数据应将原数据设置为无效。
    	}while(len!=-1);
    	//释放资源
    	fChannel.close();
    }

### 3.3 SocketChanel 基本应用 ###

Java NIO 中的 SocketChannel 是一个连接到 TCP 网络另一端的通道。可以通过以下 2 种方式创建 SocketChannel：

1.  客户端打开一个 SocketChannel 并连接到互联网上的某台服务器。
2.  服务端一个新连接到达 ServerSocketChannel 时，会创建一个SocketChannel。

基于 channel 实现通讯  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_13_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]  
代码示例：

package com.java.nio;
    
    import org.junit.Test;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    /** * @author archibald * @date 2021/9/6 * @apiNote */
    public class TestSocketChannel01 { 
    
        /** * 创建服务 */
        @Test
        public void testServerSocket() throws Exception { 
            //1.创建ServerSocketChannel对象
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            //2. 让对象在指定端口上进行监听
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8090));
            //3.构建一个buffer对象，用于存储读取的数据
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //4.等待客户端的连接
            while (true) { 
                SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                System.out.println("有客户端来了~~~");
                socketChannel.read(buffer);
                buffer.flip();
                System.out.println("Server: " + new String(buffer.array()));
                socketChannel.close();
            }
        }
    
        /** * 创建客户端 */
        @Test
        public void testClientSocket() throws IOException { 
    
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(8090));
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hello server".getBytes());
    
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            socketChannel.close();
        }
    }

## 四、Selector 基本应用 ##

### 4.1 Selector 概述 ###

Selector 是 Java NIO 中实现多路复用技术的关键，多路复用技术又是提高通讯性能的一个重要因素。项目中可以基于 selector 对象实现了一个线程管理多个 channel 对象，多个网络链接的目的。

例如：在一个单线程中使用一个Selector 处理 3 个 Channel，如图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

**为什么使用 Selector?**

仅用单个线程来处理多个 Channel 的好处是：只用一个线程处理所有的通道，可以有效避免线程之间上下文切换带来的开销，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

### 4.2 Selector 基本应用 ###

**Selector 的创建**

通过调用 Selector.open()方法创建一个 Selector，如下：

Selector selector = Selector.open();

**向 Selector 注册通道**

为了将 Channel 和 Selector 配合使用，必须将 channel 注册到 selector 上。  
通过 SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

channel.configureBlocking(false);
    SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

channel 与 Selector 一起使用时，Channel 必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将 FileChannel 与 Selector 一起使用，因为 FileChannel 不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意 `register()` 方法的第二个参数。这是一个“interest 集合”，意思是在通过 Selector 监听 Channel 时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

1.  Connect
2.  Accept
3.  Read
4.  Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个 channel 成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个 server socket channel 准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用 SelectionKey 的四个常量来表示：

1.  SelectionKey.OP\_CONNECT
2.  SelectionKey.OP\_ACCEPT
3.  SelectionKey.OP\_READ
4.  SelectionKey.OP\_WRITE

代码示例如下：

服务端实现：

//1. 获取通道
    ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
    //2. 切换非阻塞模式
    ssChannel.configureBlocking(false);
    //3. 绑定连接
    ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
    //4. 获取选择器
    Selector selector = Selector.open();
    //5. 将通道注册到选择器上, 并且指定“监听接收事件”
    ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    //6. 轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件
    while(selector.select() > 0){ 
    //7. 获取当前选择器中所有注册的“选择键(已就绪的监听事件)”
    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
    while(it.hasNext()){ 
    	//8. 获取准备“就绪”的是事件
    	SelectionKey sk = it.next();
    	//9. 判断具体是什么事件准备就绪
    	if(sk.isAcceptable()){ 
    		//10. 若“接收就绪”，获取客户端连接
    		SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
    		//11. 切换非阻塞模式
    		sChannel.configureBlocking(false);
    		//12. 将该通道注册到选择器上
    		sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    	}else if(sk.isReadable()){ 
    		//13. 获取当前选择器上“读就绪”状态的通道
    		SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel();
    		//14. 读取数据
    		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
    		int len = 0;
    		while((len = sChannel.read(buf)) > 0 ){ 
    			buf.flip();
    			System.out.println(new String(buf.array(), 0, len));
    			buf.clear();
    		}
    	}
    	//15. 取消选择键 SelectionKey
    	it.remove();
    	}
    }

客户端实现：

//1. 获取通道
    SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
    //2. 切换非阻塞模式
    sChannel.configureBlocking(false);
    //3. 分配指定大小的缓冲区
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
    //4. 发送数据给服务端
    Scanner scan = new Scanner(System.in);
    while(scan.hasNext()){ 
    	String str = scan.next();
    	buf.put((new Date().toString() + "\n" + str).getBytes());
    	buf.flip();
    	sChannel.write(buf);
    	buf.clear();
    }
    //5. 关闭通道
    sChannel.close();

程序运行分析如下：  
![在这里插入图片描述][b6969c966b0c4386a5a859f02ddfb416.png]

## 五、Tomcat 中的 NIO 应用 ##

### 5.1 Tomcat 核心架构 ###

Tomcat 是一个 apache 推出的一个 web 应用服务器，核心功能就是解析 Http 协议，处理网络 IO 操作，执行 Servlet 对象，其简易架构如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
其中：

1.  Server：代表整个容器，它可能包含一个或多个 Service 和全局的对象资源；
2.  Service：包含一个或多个 Connector 和一个 Engine，这些 Connector 和 Engine 相关联；
3.  Connector：处理与客户端的通信，网络 I/O 操作；
4.  Engine：表示请求处理流水线（pipeline），它接收所有连接器的请求，并将响应交给适当的连接器返回给客户端；
5.  Host：网络名称（域名）与 Tomcat 服务器的关联，默认主机名 localhost，一个 Engine 可包含多个 Host；
6.  Context：表示一个 Web 应用程序，一个 Host 包含多个上下文。
7.  …

### 5.2 Tomcat 中的 NIO 应用配置 ###

Tomcat 中的 NIO 应用要从 Connector 说起，Connector 是请求接收环节与请求处理环节的连接器。具体点说，就是 Connector 将接收到的请求传递给 Tomcat 引擎(Engine)进行处理，引擎处理完成以后会交给 Connector 将其响应到客户端。但是 Connector 本身并不会读写网络中的数据，读写网络中的数据还是要基于网络 IO 进行实现。但使用哪种 IO 模型需要由 Connector 对象进  
行指定。

例如：可在 tomcat 的 server.xml 进行配置，其默认配置如下：

一个 Tomcat 中可以配置多个 Connector，分别用于监听不同端口，或处理不同协议，在如上配置中 Connector 使用的协议默认为”HTTP/1.1”，系统底层会基于此配置，通过反射创建 `Http11NioProtocol`对象，而此对象底层就是基于 NIO 中的 IO 多路复用技术实现网路数据读写的。假如希望使用其它协议或 NIO 方式可以修改其默认配置。

例如：我们配置 NIO 中的异步应用模型。

### 5.3 Tomcat 中的 NIO 应用设计 ###

在 tomcat 中，目前 IO 模型的最佳应用模式还是 IO 多路复用，因为 BIO 的缺点在于不管当前连接有没有数据传输，它始终阻塞占用线程池内的一个线程，而 NIO 的处理方式是若通道无数据可读取，此时线程不阻塞直接返回，可用于处理其他连接，提高了线程利用率。其工作模型大致如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

1.  Acceptor 以阻塞模式接收 TCP 连接，然后对连接信息进行封装并以事件方式注册（register）到 Poller 上；
2.  Poller 进行事件迭代，循环执行 selector.select(xxx)，如果有通道readable，那么在 processKey 方法中交给 worker 线程池中的线程处理。

说明：假如想在 maven 项目中想对 tomcat 的源码进行快速分析，可先添加如下依赖，基于此依赖可借助 maven 对 tomcat 源码进行组织。

<dependency>
    	<groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
    	<artifactId>tomcat-embed-core</artifactId>
    	<version>9.0.6</version>
    </dependency>

基于 tomcat 依赖编写如下代码启动 tomcat，进行 debug 分析。

public static void main(String[] args)throws Exception { 
    	//1.构建tomcat对象
    	Tomcat tomcat = new Tomcat();
    	//2.构建connector对象，并指定协议
    	//tomcat实用connector处理链接，一个tomcat可以配置多个connector
    	Connector connector = new Connector("HTTP/1.1");
    	//3.设置tomcat舰艇端口
    	connector.setPort(8080);
    	tomcat.setConnector(connector);
    	//启动tomcat
    	tomcat.start();
    	tomcat.getServer().await();
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]

## 六、Netty 中的 NIO 应用 ##

### 6.1 Netty 中的 NIO 模型分析 ###

Netty 是一个基于 NIO 技术的网络编程框架，底层实现了对 java 中 NIO API 的封装。它基于异步事件驱动，可以快速开发高性能网络应用程序，并在可维护性方面有很好的表现。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]  
Netty 的健壮性、功能、性能、可定制性和可扩展性在同类框架中都首屈一指，它已经得到成百上千的商用项目验证，当然这些都离不开它背后的 NIO 技术，线程技术的合理应用。

### 6.2 Netty 中的 NIO 案例分析 ###

基于一个时间服务器对象与时间客户端对象的通讯为案例，分析一下 netty 中 NIO 的应用。

本项目采用的 netty 为 4.x 的版本，例如：

<dependency>
    	<groupId>io.netty</groupId>
    	<artifactId>netty-all</artifactId>
    	<version>4.1.16.Final</version>
    </dependency>

#### 6.2.1 Netty 服务端入门实现 ####

（一）服务端创建关键步骤

1.  创建服务端启动类对象（ServerBootstrap）
2.  设置线程组（Boss 线程组和 Worker 线程组）
3.  设置服务端 channel 对象(NioServerSocketChannel)
4.  设置 ChanelHandler 对象
5.  绑定并启动端口监听（等待客户端链接）

（二）服务端代码实现

创建事件服务器：

package com.java.nio;
    
    import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
    import io.netty.channel.ChannelFuture;
    import io.netty.channel.ChannelInitializer;
    import io.netty.channel.ChannelOption;
    import io.netty.channel.EventLoopGroup;
    import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
    import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
    import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
    
    /** * @author archibald * @date 2021/9/6 * @apiNote */
    public class TimeServer { 
        public void start() throws Exception{ 
            EventLoopGroup bossGroup=new NioEventLoopGroup();
            EventLoopGroup workerGroup=new NioEventLoopGroup();
            try { 
                ServerBootstrap b=new ServerBootstrap();
                b.group(bossGroup, workerGroup)
                        .channel(NioServerSocketChannel.class)
                        .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
                            @Override
                            public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
                                ch.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
                            };
                        })
                        .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
                ChannelFuture f=b.bind(9999).sync();
                f.channel().closeFuture().sync();
            }finally{ 
                bossGroup.shutdownGracefully();
                workerGroup.shutdownGracefully();
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            new TimeServer().start();
        }
    }

创建服务端时间处理器：

package com.java.nio;
    
    import io.netty.buffer.ByteBuf;
    import io.netty.channel.ChannelFuture;
    import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
    import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
    import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
    
    /** * @author archibald * @date 2021/9/6 * @apiNote */
    public class TimeServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
        @Override
        public void channelActive(final ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { 
            final ByteBuf time=ctx.alloc().buffer(8);
            time.writeLong(System.currentTimeMillis());
            final ChannelFuture f=ctx.writeAndFlush(time);
            f.addListener(new ChannelFutureListener() { 
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception { 
                    assert f == future;
                    ctx.close();
                }
            });
        }
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { 
            cause.printStackTrace();
            ctx.close();
        }
    }

#### 6.2.2 Netty 客户端入门实现 ####

（一）客户端创建关键步骤

1.  创建服务端启动类对象（Bootstrap）
2.  设置线程组（Worker 线程组）
3.  设置客户端 channel 对象(NioSocketChannel)
4.  设置 ChanelHandler 对象
5.  连接服务端

（二）客户端代码实现

创建时间客户端：

package com.java.nio;
    
    import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
    import io.netty.channel.ChannelFuture;
    import io.netty.channel.ChannelInitializer;
    import io.netty.channel.ChannelOption;
    import io.netty.channel.EventLoopGroup;
    import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
    import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
    import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
    
    /** * @author archibald * @date 2021/9/6 * @apiNote */
    public class TimeClient { 
        public void connect(String ip,Integer port) throws Exception { 
            EventLoopGroup workerGroup=new NioEventLoopGroup();
            try { 
                //Bootstrap客户端用于简单建立Channel
                Bootstrap b=new Bootstrap();
                b.group(workerGroup);
                //NioSocketChannel用于客户端创建Channel
                b.channel(NioSocketChannel.class);
                b.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true);
                b.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
                    @Override
                    public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
                        //指定使用的数据处理方式
                        ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                    };
                });
                //客户端开始连接
                ChannelFuture f=b.connect(ip,port).sync();
                //等待直到这个连接被关闭
                f.channel().closeFuture().sync();
            } finally { 
                workerGroup.shutdownGracefully();
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            new TimeClient().connect("127.0.0.1", 9999);
        }
    }

创建客户端时间处理器：

package com.java.nio;
    
    import io.netty.buffer.ByteBuf;
    import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
    import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
    
    import java.util.Date;
    
    /** * @author archibald * @date 2021/9/6 * @apiNote */
    public class TimeClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { 
            ByteBuf m=(ByteBuf)msg;
            try { 
                long currentTimeMillis = m.readLong();
                System.out.println("from server:"+new Date(currentTimeMillis));
                ctx.close();
            } finally { 
                m.release();
            }
        }
    }

## 七、NIO 应用总结分析 ##

### 7.1 重难点分析 ###

**（一）常见的 IO 操作应用模型**

1.  同步阻塞 IO（Blocking IO）：系统内核拷贝数据期间用户线程被阻塞。
2.  同步非阻塞 IO（Non-blocking IO）：系统内核拷贝数据期间用户线程轮询，造成 CPU 资源浪费。
3.  IO 多路复用（IO Multiplexing）：减少 CPU 在用户线程间的切换时间。
4.  异步 IO（Asynchronous IO）：需要操作系统支持，目前还不够完善。

**（二）JDK NIO 中核心 API 对象有哪些？**

1.  缓冲区对象:Buffer
2.  通道对象:Channel
3.  选择器对象:Selector

**（三）NIO 框架的基本应用？**

1.  Tomcat 中 NIO 的应用
2.  Netty 中 NIO 的应用
3.  …

### 7.2 相关 FAQ ###

**（一）NIO 给我们带来了哪些特性应用？**

1.  事件驱动，单线程多任务
2.  非阻塞 I/O（I/O 读写不再阻塞，而是返回 0）
3.  基于 block 的传输，通常比基于流的传输更高效
4.  IO 多路复用大大提高了 Java 网络应用的可伸缩性和实用性

**（二）NIO 还存在哪些问题呢？**

1.  使用 NIO != 高性能，当连接数<1000，并发程度不高或者局域网环境下 NIO 并没有显著的性能优势。
2.  NIO 并没有完全屏蔽平台差异，它仍然是基于各个操作系统的 I/O 系统实现的，差异仍然存在。使用 NIO 做网络编程构建事件驱动模型并不容易，陷阱重重。
3.  推荐大家使用成熟的 NIO 框架，如 Netty，MINA 等。解决了很多 NIO 的陷阱，并屏蔽了操作系统的差异，有较好的性能和编程模型

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220829/6ddbc7d439d04c679f4b9a2b6e62fd4e.png
[cc16aaaae09e4ec38d8a4b721d6f07e4.png]: /images/20220829/5327b3ecf57342778f5265b22388e424.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220829/47f42ec09bab4bc79e9ea4b478f787be.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220829/48ba099357b54cc8b5202bba7363e0f8.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220829/e2bf21263fb3449b977705b875366b40.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220829/5846e3a72d794173999a22ece31d6113.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220829/44c8ea153c8f4c898f49e033b191d1a0.png
[a84d94f17a374c73a735c473d37e8d43.png]: /images/20220829/0dd55e4104004795b9df3f00401c80ba.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_11_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220829/81d002403ab44051bb92366927e21310.png
[7422b02bfa4d4750bc1e5f2cfa5007af.png_pic_center]: /images/20220829/9a8f686958f444378a212d43530e1d89.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_13_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220829/e44af5c1fa964fe5aade84d7ce54bed5.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220829/7bfe9bedbe7c4881af284eaca2885996.png
[b6969c966b0c4386a5a859f02ddfb416.png]: /images/20220829/f16a8addf8204920a9adb0cf33139649.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]: /images/20220829/727a6c3b2eb44383bab5c7dbe6d772ce.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]: /images/20220829/cef893fb0a2d4baea746d55551fb10c8.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]: /images/20220829/830395a7012a433b8954e8e7ffeb7341.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA57uP55CG77yM5aSp5Y-w6aOO5aW95aSn_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]: /images/20220829/022caae44a8a47f4bfddd7619f9e6b84.png