Java NIO通信基础详解

川长思鸟来 2022-11-05 09:58 12阅读 0赞

高性能的Java通信，绝对离不开Java NIO技术，现在主流的技术框架或中间件服务器，都使用了Java NIO技术，譬如Tomcat、Jetty、Netty。学习和掌握NIO技术，已经不是一项加分技能，而是一项必备技能。不管是面试，还是实际开发，作为Java的“攻城狮”，都必须掌握NIO的原理和开发实践技能。

## 1.1　Java NIO简介 ##

在1.4版本之前，Java IO类库是阻塞IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为JAVA NIO。New IO类库的目标，就是要让Java支持非阻塞IO，基于这个原因，更多的人喜欢称Java NIO为非阻塞IO（Non-Block IO），称“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。总体上说，NIO弥补了原来面向流的OIO同步阻塞的不足，它为标准Java代码提供了高速的、面向缓冲区的IO。

Java NIO由以下三个核心组件组成：

·Channel（通道）

·Buffer（缓冲区）

·Selector（选择器）

如果理解了第1章的四种IO模型，大家一眼就能识别出来，Java NIO，属于第三种模型——IO多路复用模型。当然，Java NIO组件，提供了统一的API，为大家屏蔽了底层的不同操作系统的差异。

后面的章节，我们会对以上的三个Java NIO的核心组件，展开详细介绍。先来看看Java的NIO和OIO的简单对比。

### 1.1.1　NIO和OIO的对比 ###

在Java中，NIO和OIO的区别，主要体现在三个方面：

（1）OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。

何谓面向流，何谓面向缓冲区呢？

OIO是面向字节流或字符流的，在一般的OIO操作中，我们以流式的方式顺序地从一个流（Stream）中读取一个或多个字节，因此，我们不能随意地改变读取指针的位置。而在NIO操作中则不同，NIO中引入了Channel（通道）和Buffer（缓冲区）的概念。读取和写入，只需要从通道中读取数据到缓冲区中，或将数据从缓冲区中写入到通道中。NIO不像OIO那样是顺序操作，可以随意地读取Buffer中任意位置的数据。

（2）OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。

NIO如何做到非阻塞的呢？大家都知道，OIO操作都是阻塞的，例如，我们调用一个read方法读取一个文件的内容，那么调用read的线程会被阻塞住，直到read操作完成。

而在NIO的非阻塞模式中，当我们调用read方法时，如果此时有数据，则read读取数据并返回；如果此时没有数据，则read直接返回，而不会阻塞当前线程。NIO的非阻塞，是如何做到的呢？其实在上一章，答案已经揭晓了，NIO使用了通道和通道的多路复用技术。

（3）OIO没有选择器（Selector）概念，而NIO有选择器的概念。

NIO的实现，是基于底层的选择器的系统调用。NIO的选择器，需要底层操作系统提供支持。而OIO不需要用到选择器。

### 1.1.2　通道（Channel） ###

在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（Input Stream），另一个输出流（Output Stream）。通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。

在NIO中，同一个网络连接使用一个通道表示，所有的NIO的IO操作都是从通道开始的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取，也可以向通道写入。

### 1.1.3　Selector选择器 ###

首先，回顾一个基础的问题，什么是IO多路复用？指的是一个进程/线程可以同时监视多个文件描述符（一个网络连接，操作系统底层使用一个文件描述符来表示），一旦其中的一个或者多个文件描述符可读或者可写，系统内核就通知该进程/线程。在Java应用层面，如何实现对多个文件描述符的监视呢？需要用到一个非常重要的Java NIO组件——Selector选择器。

选择器的神奇功能是什么呢？它一个IO事件的查询器。通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

实现IO多路复用，从具体的开发层面来说，首先把通道注册到选择器中，然后通过选择器内部的机制，可以查询（select）这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。

一个选择器只需要一个线程进行监控，换句话说，我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个通道。这是非常高效的，这种高效来自于Java的选择器组件Selector，以及其背后的操作系统底层的IO多路复用的支持。

与OIO相比，使用选择器的最大优势：系统开销小，系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

### 1.1.4　缓冲区（Buffer） ###

应用程序与通道（Channel）主要的交互操作，就是进行数据的read读取和write写入。为了完成如此大任，NIO为大家准备了第三个重要的组件——NIO Buffer（NIO缓冲区）。通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道中。

缓冲区的使用，是面向流的OIO所没有的，也是NIO非阻塞的重要前提和基础之一。

下面从缓冲区开始，详细介绍NIO的Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）三大核心组件。

## 1.2　详解NIO Buffer类及其属性 ##

NIO的Buffer（缓冲区）本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以从中读取数据。NIO的Buffer类，是一个抽象类，位于java.nio包中，其内部是一个内存块（数组）。

NIO的Buffer与普通的内存块（Java数组）不同的是：NIO Buffer对象，提供了一组更加有效的方法，用来进行写入和读取的交替访问。

需要强调的是：Buffer类是一个非线程安全类。

### 1.2.1　Buffer类 ###

Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型，在NIO中有8种缓冲区类，分别如下：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer。

前7种Buffer类型，覆盖了能在IO中传输的所有的Java基本数据类型。第8种类型MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer类型。

实际上，使用最多的还是ByteBuffer二进制字节缓冲区类型，后面会看到。

### 1.2.2　Buffer类的重要属性 ###

Buffer类在其内部，有一个byte\[\]数组内存块，作为内存缓冲区。为了记录读写的状态和位置，Buffer类提供了一些重要的属性。其中，有三个重要的成员属性：capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）。

除此之外，还有一个标记属性：mark（标记），可以将当前的position临时存入mark中；需要的时候，可以再从mark标记恢复到position位置。

1.capacity属性

Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity容量，缓冲区就满了，不能再写入了。

Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时，会按照capacity分配内部的内存。在内存分配好之后，它的大小当然就不能改变了。

再强调一下，capacity容量不是指内存块byte\[\]数组的字节的数量。capacity容量指的是写入的数据对象的数量。

前面讲到，Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来新建对象。使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如使用DoubleBuffer，则写入的数据是double类型，如果其capacity是100，那么我们最多可以写入100个double数据。

2.position属性

Buffer类的position属性，表示当前的位置。position属性与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，position属性的值是不同的。当缓冲区进行读写的模式改变时，position会进行调整。

在写入模式下，position的值变化规则如下：（1）在刚进入到写模式时，position值为0，表示当前的写入位置为从头开始。（2）每当一个数据写到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写的位置。（3）初始的position值为0，最大可写值position为limit– 1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。

在读模式下，position的值变化规则如下：（1）当缓冲区刚开始进入到读模式时，position会被重置为0。（2）当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。（3）position最大的值为最大可读上限limit，当position达到limit时，表明缓冲区已经无数据可读。

起点在哪里呢？当新建一个缓冲区时，缓冲区处于写入模式，这时是可以写数据的。数据写入后，如果要从缓冲区读取数据，这就要进行模式的切换，可以使用（即调用）flip翻转方法，将缓冲区变成读取模式。

在这个flip翻转过程中，position会进行非常巨大的调整，具体的规则是：position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。flip翻转的另外一半工作，就是要调整limit属性。

3.limit属性

Buffer类的limit属性，表示读写的最大上限。limit属性，也与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，limit的值的含义是不同的。

在写模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入到写模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity容量值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。

在读模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。

一般来说，是先写入再读取。当缓冲区写入完成后，就可以开始从Buffer读取数据，可以使用flip翻转方法，这时，limit的值也会进行非常大的调整。

具体如何调整呢？将写模式下的position值，设置成读模式下的limit值，也就是说，将之前写入的最大数量，作为可以读取的上限值。

在flip翻转时，属性的调整，将涉及position、limit两个属性，这种调整比较微妙，不是太好理解，举一个简单例子：

首先，创建缓冲区。刚开始，缓冲区处于写模式。position为0，limit为最大容量。

然后，向缓冲区写数据。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。

这时，使用（即调用）flip方法，将缓冲区切换到读模式。limit的值，先会被设置成写模式时的position值。这里新的limit是5，表示可以读取的最大上限是5个数。同时，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。

### 1.2.3　4个属性的小结 ###

除了前面的3个属性，第4个属性mark（标记）比较简单。就是相当一个暂存属性，暂时保存position的值，方便后面的重复使用position值。

下面用一个表格总结一下Buffer类的4个重要属性，参见表。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpbnRpbmdhbmR6aG91eWFuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

## 1.3　详解NIO Buffer类的重要方法 ##

本小节将详细介绍Buffer类使用中常用的几个方法，包含Buffer实例的获取、对Buffer实例的写入、读取、重复读、标记和重置等。

### 1.3.1　allocate()创建缓冲区 ###

在使用Buffer（缓冲区）之前，我们首先需要获取Buffer子类的实例对象，并且分配内存空间。

为了获取一个Buffer实例对象，这里并不是使用子类的构造器new来创建一个实例对象，而是调用子类的allocate()方法。

下面的程序片段就是用来获取一个整型Buffer类的缓冲区实例对象，代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
    static IntBufferintBuffer = null;
            public static void allocatTest()
            {
                   //调用allocate方法，而不是使用new 
                            intBuffer = IntBuffer.allocate(20);
                            //输出buffer的主要属性值        
    Logger.info("------------after allocate------------------");
                            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
                            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
                            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
            }
    //...
    }

例子中，IntBuffer是具体的Buffer子类，通过调用IntBuffer.allocate(20)，创建了一个Intbuffer实例对象，并且分配了20\*4个字节的内存空间。

通过程序的输出结果，我们可以查看一个新建缓冲区实例对象的主要属性值，如下所示：

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

allocatTest |>  ------------after allocate------------------ 
    allocatTest |>  position=0 
    allocatTest |>  limit=20 
    allocatTest |>  capacity=20

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

从上面的运行结果，可以看出：

一个缓冲区在新建后，处于写入的模式，position写入位置为0，最大可写上限limit为的初始化值（这里是20），而缓冲区的容量capacity也是初始化值。

### 1.3.2　put()写入到缓冲区 ###

在调用allocate方法分配内存、返回了实例对象后，缓冲区实例对象处于写模式，可以写入对象。要写入缓冲区，需要调用put方法。put方法很简单，只有一个参数，即为所需要写入的对象。不过，写入的数据类型要求与缓冲区的类型保持一致。

接着前面的例子，向刚刚创建的intBuffer缓存实例对象中，写入的5个整数，代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
            static IntBufferintBuffer = null;
         //省略了创建缓冲区的代码，具体看源代码工程
            public static void putTest()
            {
                            for (int i = 0; i< 5; i++)
                            {
                                            //写入一个整数到缓冲区
                                            intBuffer.put(i);
                            }
                            //输出缓冲区的主要属性值                   
                            Logger.info("------------after put------------------");
                            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
                            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
                            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
            }
            //...
    }

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

写入5个元素后，同样输出缓冲区的主要属性值，输出的结果如下：

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

putTest |>  ------------after putTest------------------ 
    putTest |>  position=5 
    putTest |>  limit=20 
    putTest |>  capacity=20

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

从结果可以看到，position变成了5，指向了第6个可以写入的元素位置。而limit最大写入元素的上限、capacity最大容量的值，并没有发生变化。

### 1.3.3　flip()翻转 ###

向缓冲区写入数据之后，是否可以直接从缓冲区中读取数据呢？呵呵，不能。

这时缓冲区还处于写模式，如果需要读取数据，还需要将缓冲区转换成读模式。flip()翻转方法是Buffer类提供的一个模式转变的重要方法，它的作用就是将写入模式翻转成读取模式。

接着前面的例子，演示一下flip()方法的使用：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
            static IntBufferintBuffer = null;
        //省略了缓冲区的创建、写入的代码，具体看源代码工程
            public static void flipTest()
            {
                            //翻转缓冲区，从写模式翻转成读模式                      
                            intBuffer.flip();
                            //输出缓冲区的主要属性值                   
                            Logger.info("------------after flip ------------------");
                            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
                            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
                            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
            }
            //...
    }

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

在调用flip进行模式翻转之后，缓冲区的属性有了奇妙的变化，输出如下：

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

flipTest |>  ------------after flipTest ------------------ 
    flipTest |>  position=0 
    flipTest |>  limit=5 
    flipTest |>  capacity=20

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

调用flip方法后，之前写入模式下的position值5，变成了可读上限limit值5；而新的读取模式下的position值，简单粗暴地变成了0，表示从头开始读取。

对flip()方法的从写入到读取转换的规则，详细的介绍如下：

首先，设置可读的长度上限limit。将写模式下的缓冲区中内容的最后写入位置position值，作为读模式下的limit上限值。

其次，把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读。

最后，清除之前的mark标记，因为mark保存的是写模式下的临时位置。在读模式下，如果继续使用旧的mark标记，会造成位置混乱。

有关上面的三步，其实可以查看flip方法的源代码，Buffer.flip()方法的源代码如下：

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

public final Buffer flip() {
        limit = position;  //设置可读的长度上限limit,为写入的position
        position = 0;       //把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读
       mark = UNSET_MARK;  // 清除之前的mark标记
       return this;
    }

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

至此，大家都知道了，如何将缓冲区切换成读取模式。

新的问题来了，在读取完成后，如何再一次将缓冲区切换成写入模式呢？可以调用Buffer.clear()清空或者Buffer.compact()压缩方法，它们可以将缓冲区转换为写模式。

Buffer的模式转换，大致如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpbnRpbmdhbmR6aG91eWFuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### 1.3.4　get()从缓冲区读取 ###

调用flip方法，将缓冲区切换成读取模式。这时，可以开始从缓冲区中进行数据读取了。读数据很简单，调用get方法，每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。

接着前面flip的使用实例，演示一下缓冲区的读取操作，代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
    static IntBufferintBuffer = null;
    //省略了缓冲区的创建、写入、翻转的代码，具体看源代码工程
      public static void getTest()
    {
    //先读2个
           for (int i = 0; i< 2; i++)
            {
                int j = intBuffer.get();
                Logger.info("j = " + j);
            }
    //输出缓冲区的主要属性值                   
    Logger.info("------------after get 2 int ------------------");
    Logger.info("position=" + intBuffer.position());
    Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
    Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
    //再读3个
            for (int i = 0; i< 3; i++)
            {
                int j = intBuffer.get();
                Logger.info("j = " + j);
            }
    //输出缓冲区的主要属性值                   
    Logger.info("------------after get 3 int ------------------");
    Logger.info("position=" + intBuffer.position());
    Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
    Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
        }
    //...
    }

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

先读2个，再读3个，运行后，输出的结果如下：

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

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

从程序的输出结果，我们可以看到，读取操作会改变可读位置position的值，而limit值不会改变。如果position值和limit的值相等，表示所有数据读取完成，position指向了一个没有数据的元素位置，已经不能再读了。此时再读，会抛出BufferUnderflowException异常。

这里强调一下，在读完之后，是否可以立即进行写入模式呢？不能。现在还处于读取模式，我们必须调用Buffer.clear()或Buffer.compact()，即清空或者压缩缓冲区，才能变成写入模式，让其重新可写。

另外，还有一个问题：缓冲区是不是可以重复读呢？答案是可以的。

### 1.3.5　rewind()倒带 ###

已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。

接着前面的代码，继续rewind方法使用的演示，示例代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
            static IntBufferintBuffer = null;
         //省略了缓冲区的创建、写入、读取的代码，具体看源代码工程
            public static void rewindTest() {
                  //倒带
                            intBuffer.rewind();
                  //输出缓冲区属性
                            Logger.info("------------after rewind ------------------");
                            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
                            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
                            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
            }
    //...
    }

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

这个范例程序的执行结果如下：

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

rewindTest |>  ------------after rewind ------------------ 
    rewindTest |>  position=0 
    rewindTest |>  limit=5 
    rewindTest |>  capacity=20

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

rewind()方法，主要是调整了缓冲区的position属性，具体的调整规则如下：

（1）position重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据。

（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从缓冲区中读取多少个元素。

（3）mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了。

Buffer.rewind()方法的源代码如下：

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

public final Buffer rewind() {
            position = 0;//重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据
            mark = -1; //  mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了
            return this;
     }

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

通过源代码，我们可以看到rewind()方法与flip()很相似，区别在于：rewind()不会影响limit属性值；而flip()会重设limit属性值。

在rewind倒带之后，就可以再一次读取，重复读取的示例代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
       static IntBufferintBuffer = null;
       //省略了缓冲区的读取、倒带的代码，具体看源代码工程
       public static void reRead() {
            for (int i = 0; i< 5; i++) {
                if (i == 2) {
                    //临时保存，标记一下第3个位置
                    intBuffer.mark();
                }
    //读取元素
                int j = intBuffer.get();
                Logger.info("j = " + j);
            }
    //输出缓冲区的属性值
    Logger.info("------------after reRead------------------");
    Logger.info("position=" + intBuffer.position());
    Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
    Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
        }
    //...
    }

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

这段代码，和前面的读取示例代码基本相同，只是增加了一个mark调用。

### 1.3.6　mark( )和reset( ) ###

Buffer.mark()方法的作用是将当前position的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；之后，可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。

也就是说，Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是配套使用的。两种方法都需要内部mark属性的支持。

在前面重复读取缓冲区的示例代码中，读到第3个元素（i==2时），调用mark()方法，把当前位置position的值保存到mark属性中，这时mark属性的值为2。

接下来，就可以调用reset方法，将mark属性的值恢复到position中。然后可以从位置2（第三个元素）开始读。

继续接着前面的重复读取的代码，进行reset的示例演示，代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
            static IntBufferintBuffer = null;
        //省略了缓冲区之前的mark等代码，具体看源代码工程
            public static void afterReset() {
                            Logger.info("------------after reset------------------");
                            //把前面保存在mark中的值恢复到position
                            intBuffer.reset();
                            //输出缓冲区的属性值
                            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
                            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
                            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
                            //读取并且输出元素
                            for (int i =2; i< 5; i++) {
                                            int j = intBuffer.get();
                                            Logger.info("j = " + j);
                            }
            }
    //...
    }

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

在上面的代码中，首先调用reset()把mark中的值恢复到position中，因此读取的位置position就是2，表示可以再次开始从第3个元素开始读取数据。上面的程序代码的输出结果是：

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

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

调用reset方法之后，position的值为2。此时去读取缓冲区，输出后面的三个元素为2、3、4。

### 1.3.7　clear( )清空缓冲区 ###

在读取模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写入模式。此方法会将position清零，limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。

接着上面的实例，演示一下clear方法。代码如下：

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

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
    //...
    public class UseBuffer
    {
            static IntBufferintBuffer = null;
        //省略了之前的buffer操作代码，具体看源代码工程
        public static void clearDemo() {
            Logger.info("------------after clear------------------");
            //清空缓冲区，进入写入模式
            intBuffer.clear();
            //输出缓冲区的属性值
            Logger.info("position=" + intBuffer.position());
            Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
            Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
        }
    //...
    }

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

这个程序运行之后，结果如下：

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

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

在缓冲区处于读取模式时，调用clear()，缓冲区会被切换成写入模式。调用clear()之后，我们可以看到清空了position的值，即设置写入的起始位置为0，并且写入的上限为最大容量。

### 1.3.8　使用Buffer类的基本步骤 ###

总体来说，使用Java NIO Buffer类的基本步骤如下：

（1）使用创建子类实例对象的allocate()方法，创建一个Buffer类的实例对象。

（2）调用put方法，将数据写入到缓冲区中。

（3）写入完成后，在开始读取数据前，调用Buffer.flip()方法，将缓冲区转换为读模式。

（4）调用get方法，从缓冲区中读取数据。

（5）读取完成后，调用Buffer.clear()或Buffer.compact()方法，将缓冲区转换为写入模式。

## 1.4　详解NIO Channel（通道）类 ##

前面讲到，NIO中一个连接就是用一个Channel（通道）来表示。大家知道，从更广泛的层面来说，一个通道可以表示一个底层的文件描述符，例如硬件设备、文件、网络连接等。然而，远远不止如此，除了可以对应到底层文件描述符，Java NIO的通道还可以更加细化。例如，对应不同的网络传输协议类型，在Java中都有不同的NIO Channel（通道）实现。

### 1.4.1　Channel（通道）的主要类型 ###

这里不对纷繁复杂的Java NIO通道类型进行过多的描述，仅仅聚焦于介绍其中最为重要的四种Channel（通道）实现：FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel。

对于以上四种通道，说明如下：

（1）FileChannel文件通道，用于文件的数据读写。

（2）SocketChannel套接字通道，用于Socket套接字TCP连接的数据读写。

（3）ServerSocketChannel服务器嵌套字通道（或服务器监听通道），允许我们监听TCP连接请求，为每个监听到的请求，创建一个SocketChannel套接字通道。

（4）DatagramChannel数据报通道，用于UDP协议的数据读写。

这个四种通道，涵盖了文件IO、TCP网络、UDP IO基础IO。下面从Channel（通道）的获取、读取、写入、关闭四个重要的操作，来对四种通道进行简单的介绍。

### 1.4.2　FileChannel文件通道 ###

FileChannel是专门操作文件的通道。通过FileChannel，既可以从一个文件中读取数据，也可以将数据写入到文件中。特别申明一下，FileChannel为阻塞模式，不能设置为非阻塞模式。

下面分别介绍：FileChannel的获取、读取、写入、关闭四个操作。

1.获取FileChannel通道

可以通过文件的输入流、输出流获取FileChannel文件通道，示例如下：

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

//创建一条文件输入流
    FileInputStreamfis = new FileInputStream(srcFile);
    //获取文件流的通道
    FileChannelinChannel = fis.getChannel();
    //创建一条文件输出流
    FileOutputStreamfos = new FileOutputStream(destFile);
    //获取文件流的通道
    FileChanneloutchannel = fos.getChannel();

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

也可以通过RandomAccessFile文件随机访问类，获取FileChannel文件通道：

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

// 创建RandomAccessFile随机访问对象
    RandomAccessFileaFile = new RandomAccessFile("filename.txt"，"rw");
    //获取文件流的通道
    FileChannelinChannel = aFile.getChannel();

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

2.读取FileChannel通道

在大部分应用场景，从通道读取数据都会调用通道的int read（ByteBufferbuf）方法，它从通道读取到数据写入到ByteBuffer缓冲区，并且返回读取到的数据量。

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

RandomAccessFileaFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
    //获取通道
    FileChannelinChannel=aFile.getChannel();
    //获取一个字节缓冲区
    ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(CAPACITY);
    int length = -1;
    //调用通道的read方法，读取数据并买入字节类型的缓冲区
    while ((length = inChannel.read(buf)) != -1) {
    //省略……处理读取到的buf中的数据
    }

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

注意

虽然对于通道来说是读取数据，但是对于ByteBuffer缓冲区来说是写入数据，这时，ByteBuffer缓冲区处于写入模式。

3.写入FileChannel通道

写入数据到通道，在大部分应用场景，都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法。此方法的参数——ByteBuffer缓冲区，是数据的来源。write方法的作用，是从ByteBuffer缓冲区中读取数据，然后写入到通道自身，而返回值是写入成功的字节数。

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

//如果buf刚写完数据，需要flip翻转buf，使其变成读取模式
    buf.flip();
    int outlength = 0;
    //调用write方法，将buf的数据写入通道
    while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {
                    System.out.println("写入的字节数：" + outlength);
    }

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

注意

此时的ByteBuffer缓冲区要求是可读的，处于读模式下。

4．关闭通道

当通道使用完成后，必须将其关闭。关闭非常简单，调用close方法即可。

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

//关闭通道
    channel.close();

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

5．强制刷新到磁盘

在将缓冲区写入通道时，出于性能原因，操作系统不可能每次都实时将数据写入磁盘。如果需要保证写入通道的缓冲数据，最终都真正地写入磁盘，可以调用FileChannel的force()方法。

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

//强制刷新到磁盘
    channel.force(true);

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

### 1.4.3　使用FileChannel完成文件复制的实践案例 ###

下面是一个简单的实战案例：使用文件通道复制文件。其功能是：使用FileChannel文件通道，将原文件复制一份，也就是把原文中的数据都复制到目标文件中。完整代码如下：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.fileDemos;
    
    public class FileNIOCopyDemo {
        public static void main(String[] args) {
            //演示复制资源文件
            nioCopyResouceFile();
        }
        /**
         * 复制两个资源目录下的文件
         */
        public static void nioCopyResouceFile() {
            String sourcePath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_SRC_PATH;
            String srcPath = IOUtil.getResourcePath(sourcePath);
            Logger.info("srcPath=" + srcPath);
            String destPath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_DEST_PATH;
            String destDecodePath = IOUtil.builderResourcePath(destPath);
            Logger.info("destDecodePath=" + destDecodePath);
            nioCopyFile(srcDecodePath, destDecodePath);
        }
        /**
         * nio方式复制文件
         * @param srcPath
         * @param destPath
         */
        public static void nioCopyFile(String srcPath, String destPath) {
            File srcFile = new File(srcPath);
            File destFile = new File(destPath);
            try {
                //如果目标文件不存在，则新建
                if (!destFile.exists()) {
                    destFile.createNewFile();
                }
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            FileInputStreamfis = null;
            FileOutputStreamfos = null;
            FileChannelinChannel = null;
            FileChanneloutchannel = null;
            try {
                fis = new FileInputStream(srcFile);
                fos = new FileOutputStream(destFile);
                inChannel = fis.getChannel();
                outchannel = fos.getChannel();
                int length = -1;
                ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
                //从输入通道读取到buf
                while ((length = inChannel.read(buf)) != -1) {
                //第一次切换：翻转buf，变成读取模式
                    buf.flip();
                    int outlength = 0;
                    //将buf写入到输出的通道
                    while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {
                        System.out.println("写入的字节数：" + outlength);
                    }
                    //第二次切换：清除buf，变成写入模式
                    buf.clear();
                }
                //强制刷新到磁盘
                outchannel.force(true);
            } finally {
                 //关闭所有的可关闭对象
                 IOUtil.closeQuietly(outchannel);
                 IOUtil.closeQuietly(fos);
                 IOUtil.closeQuietly(inChannel);
                 IOUtil.closeQuietly(fis);
              }
            long endTime = System.currentTimeMillis();
            Logger.info("base复制毫秒数：" + (endTime - startTime));
        } catch (IOException e) {
                  e.printStackTrace();
           }
    }

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

特别强调一下，除了FileChannel的通道操作外，还需要注意ByteBuffer的模式切换。新建的ByteBuffer，默认是写入模式，可以作为inChannel.read（ByteBuffer）的参数。inChannel.read方法将从通道inChannel读到的数据写入到ByteBuffer。

此后，需要调用缓冲区的flip方法，将ByteBuffer切换成读取模式，才能作为outchannel.write（ByteBuffer）方法的参数，从ByteBuffer读取数据，再写入到outchannel输出通道。

如此，便是完成一次复制。在进入下一次复制前，还要进行一次缓冲区的模式切换。ByteBuffer数据读完之后，需要将通过clear方法切换成写入模式，才能进入下一次的复制。

在示例代码中，外层的每一轮while循环，都需要两次模式ByteBuffer切换：第一次切换时，翻转buf，变成读取模式；第二次切换时，清除buf，变成写入模式。

上面的示例代码，主要的目的在于：演示文件通道以及字节缓冲区的使用。作为文件复制的程序来说，实战代码的效率不是最高的。

更高效的文件复制，可以调用文件通道的transferFrom方法。具体的代码，可以参见源代码工程中的FileNIOFastCopyDemo类，完整源文件的路径为：

com.crazymakercircle.iodemo.fileDemos.FileNIOFastCopyDemo

### 1.4.4　SocketChannel套接字通道 ###

在NIO中，涉及网络连接的通道有两个，一个是SocketChannel负责连接传输，另一个是ServerSocketChannel负责连接的监听。

NIO中的SocketChannel传输通道，与OIO中的Socket类对应。

NIO中的ServerSocketChannel监听通道，对应于OIO中的ServerSocket类。

ServerSocketChannel应用于服务器端，而SocketChannel同时处于服务器端和客户端。换句话说，对应于一个连接，两端都有一个负责传输的SocketChannel传输通道。

无论是ServerSocketChannel，还是SocketChannel，都支持阻塞和非阻塞两种模式。如何进行模式的设置呢？调用configureBlocking方法，具体如下：

（1）socketChannel.configureBlocking（false）设置为非阻塞模式。

（2）socketChannel.configureBlocking（true）设置为阻塞模式。

在阻塞模式下，SocketChannel通道的connect连接、read读、write写操作，都是同步的和阻塞式的，在效率上与Java旧的OIO的面向流的阻塞式读写操作相同。因此，在这里不介绍阻塞模式下的通道的具体操作。在非阻塞模式下，通道的操作是异步、高效率的，这也是相对于传统的OIO的优势所在。下面详细介绍在非阻塞模式下通道的打开、读写和关闭操作等操作。

1.获取SocketChannel传输通道

在客户端，先通过SocketChannel静态方法open()获得一个套接字传输通道；然后，将socket套接字设置为非阻塞模式；最后，通过connect()实例方法，对服务器的IP和端口发起连接。

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

//获得一个套接字传输通道
    SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open();
          //设置为非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);
           //对服务器的IP和端口发起连接
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1"，80));

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

非阻塞情况下，与服务器的连接可能还没有真正建立，socketChannel.connect方法就返回了，因此需要不断地自旋，检查当前是否是连接到了主机：

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

while(! socketChannel.finishConnect() ){
        //不断地自旋、等待，或者做一些其他的事情……    
    }

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

在服务器端，如何获取传输套接字呢？

当新连接事件到来时，在服务器端的ServerSocketChannel能成功地查询出一个新连接事件，并且通过调用服务器端ServerSocketChannel监听套接字的accept()方法，来获取新连接的套接字通道：

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

//新连接事件到来，首先通过事件，获取服务器监听通道
    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
    //获取新连接的套接字通道
    SocketChannelsocketChannel = server.accept();
    //设置为非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);

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

强调一下，NIO套接字通道，主要用于非阻塞应用场景。所以，需要调用configureBlocking（false），从阻塞模式设置为非阻塞模式。

2.读取SocketChannel传输通道

当SocketChannel通道可读时，可以从SocketChannel读取数据，具体方法与前面的文件通道读取方法是相同的。调用read方法，将数据读入缓冲区ByteBuffer。

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

ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
    int bytesRead = socketChannel.read(buf);

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

在读取时，因为是异步的，因此我们必须检查read的返回值，以便判断当前是否读取到了数据。read()方法的返回值，是读取的字节数。如果返回-1，那么表示读取到对方的输出结束标志，对方已经输出结束，准备关闭连接。实际上，通过read方法读数据，本身是很简单的，比较困难的是，在非阻塞模式下，如何知道通道何时是可读的呢？这就需要用到NIO的新组件——Selector通道选择器，稍后介绍。

3.写入到SocketChannel传输通道

和前面的把数据写入到FileChannel文件通道一样，大部分应用场景都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法。

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

//写入前需要读取缓冲区，要求ByteBuffer是读取模式
    buffer.flip();
    socketChannel.write(buffer);

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

4.关闭SocketChannel传输通道

在关闭SocketChannel传输通道前，如果传输通道用来写入数据，则建议调用一次shutdownOutput()终止输出方法，向对方发送一个输出的结束标志（-1）。然后调用socketChannel.close()方法，关闭套接字连接。

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

//终止输出方法，向对方发送一个输出的结束标志
    socketChannel.shutdownOutput();
    //关闭套接字连接
    IOUtil.closeQuietly(socketChannel);

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

### 1.4.5　使用SocketChannel发送文件的实践案例 ###

下面的实践案例是使用FileChannel文件通道读取本地文件内容，然后在客户端使用SocketChannel套接字通道，把文件信息和文件内容发送到服务器。客户端的完整代码如下：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.socketDemos;
    //...
    public class NioSendClient {
            private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
            /**
             * 向服务器端传输文件
             */
            public void sendFile() throws Exception {
                    try {
                        String sourcePath = NioDemoConfig.SOCKET_SEND_FILE;
                        String srcPath = IOUtil.getResourcePath(sourcePath);
                        Logger.info("srcPath=" + srcPath);
                        String destFile = NioDemoConfig.SOCKET_RECEIVE_FILE;
                        Logger.info("destFile=" + destFile);
                        File file = new File(srcPath);
                        if (!file.exists()) {
                            Logger.info("文件不存在");
                            return;
                        }
                        FileChannelfileChannel = new FileInputStream(file).getChannel();
                        SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open();
                        socketChannel.socket().connect(
                       InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_IP,
                                                 NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
                                    socketChannel.configureBlocking(false);
                                    while(! socketChannel.finishConnect() ){
                                            //不断地自旋、等待，或者做一些其他的事情
                                    }
                                    Logger.info("Client成功连接服务器端");
                                    //发送文件名称
                                    ByteBufferfileNameByteBuffer = charset.encode(destFile);
                                    socketChannel.write(fileNameByteBuffer);
                                    //发送文件长度
                                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate
                                                   (NioDemoConfig.SEND_BUFFER_SIZE);
                                    buffer.putLong(file.length());
                                    buffer.flip();
                                    socketChannel.write(buffer);
                                    buffer.clear();
                                    //发送文件内容
                                    Logger.info("开始传输文件");
                                    int length = 0;
                                    long progress = 0;
                                    while ((length = fileChannel.read(buffer)) > 0) {
                                        buffer.flip();
                                        socketChannel.write(buffer);
                                        buffer.clear();
                                        progress += length;
                                        Logger.info("| "+(100 * progress / file.length()) + "% |");
                                    }
                                    if (length == -1) {
                                        IOUtil.closeQuietly(fileChannel);
                                        //在SocketChannel传输通道关闭前，尽量发送一个输出结束标志到对端
                                        socketChannel.shutdownOutput();
                                        IOUtil.closeQuietly(socketChannel);
                                    }
                                    Logger.info("======== 文件传输成功 ========");
                        } catch (Exception e) {
                                    e.printStackTrace();
                            }
                }
                public static void main(String[] args) {
                NioSendClient client = new NioSendClient(); // 启动客户端连接
                client.sendFile(); // 传输文件
            }
    }

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

以上代码中的文件发送过程：首先发送目标文件名称（不带路径），然后发送文件长度，最后是发送文件内容。代码中的配置项，如服务器的IP、服务器端口、待发送的源文件名称（带路径）、远程的目标文件名称等配置信息，都是从system.properties配置文件中读取的，通过自定义的NioDemoConfig配置类来完成配置。

在运行以上客户端的程序之前，需要先运行服务器端的程序。服务器端的类与客户端的源代码在同一个包下，类名为NioReceiveServer，具体参见源代码工程，我们稍后再详细介绍这个类。

### 1.4.6　DatagramChannel数据报通道 ###

和Socket套接字的TCP传输协议不同，UDP协议不是面向连接的协议。使用UDP协议时，只要知道服务器的IP和端口，就可以直接向对方发送数据。在Java中使用UDP协议传输数据，比TCP协议更加简单。在Java NIO中，使用DatagramChannel数据报通道来处理UDP协议的数据传输。

1.获取DatagramChannel数据报通道

获取数据报通道的方式很简单，调用DatagramChannel类的open静态方法即可。然后调用configureBlocking（false）方法，设置成非阻塞模式。

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

//获取DatagramChannel数据报通道
    DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    //设置为非阻塞模式
    datagramChannel.configureBlocking(false);

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

如果需要接收数据，还需要调用bind方法绑定一个数据报的监听端口，具体如下：

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

//调用bind方法绑定一个数据报的监听端口
    channel.socket().bind(new InetSocketAddress(18080));

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

2.读取DatagramChannel数据报通道数据

当DatagramChannel通道可读时，可以从DatagramChannel读取数据。和前面的SocketChannel的读取方式不同，不是调用read方法，而是调用receive（ByteBufferbuf）方法将数据从DatagramChannel读入，再写入到ByteBuffer缓冲区中。

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

//创建缓冲区
    ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
    //从DatagramChannel读入，再写入到ByteBuffer缓冲区
    SocketAddressclientAddr= datagramChannel.receive(buffer);

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

通道读取receive（ByteBufferbuf）方法的返回值，是SocketAddress类型，表示返回发送端的连接地址（包括IP和端口）。通过receive方法读数据非常简单，但是，在非阻塞模式下，如何知道DatagramChannel通道何时是可读的呢？和SocketChannel一样，同样需要用到NIO的新组件——Selector通道选择器，稍后介绍。

3.写入DatagramChannel数据报通道

向DatagramChannel发送数据，和向SocketChannel通道发送数据的方法也是不同的。这里不是调用write方法，而是调用send方法。示例代码如下：

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

//把缓冲区翻转到读取模式
    buffer.flip();
    //调用send方法，把数据发送到目标IP+端口
    dChannel.send(buffer,  new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_IP, 
                          NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
    //清空缓冲区，切换到写入模式
    buffer.clear();

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

由于UDP是面向非连接的协议，因此，在调用send方法发送数据的时候，需要指定接收方的地址（IP和端口）。

4.关闭DatagramChannel数据报通道

这个比较简单，直接调用close()方法，即可关闭数据报通道。

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

//简单关闭即可
    dChannel.close();

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

### 1.4.7　使用DatagramChannel数据包通道发送数据的实践案例 ###

下面是一个使用DatagramChannel数据包通到发送数据的客户端示例程序代码。其功能是：获取用户的输入数据，通过DatagramChannel数据报通道，将数据发送到远程的服务器。客户端的完整程序代码如下：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.udpDemos;
    //...
    public class UDPClient {
        public void send() throws IOException {
            //获取DatagramChannel数据报通道
            DatagramChanneldChannel = DatagramChannel.open();
            //设置为非阻塞
            dChannel.configureBlocking(false);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SEND_BUFFER_
                                         SIZE);
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            Print.tcfo("UDP客户端启动成功！");
            Print.tcfo("请输入发送内容:");
            while (scanner.hasNext()) {
                String next = scanner.next();
                buffer.put((Dateutil.getNow() + " >>" + next).getBytes());
                buffer.flip();
                //通过DatagramChannel数据报通道发送数据
                dChannel.send(buffer, new InetSocketAddress(NioDemoConfig.
                                  SOCKET_SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
                buffer.clear();
            }
            //操作四：关闭DatagramChannel数据报通道
            dChannel.close();
        }
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            new UDPClient().send();
        }
    }

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

通过示例程序代码可以看出，在客户端使DatagramChannel数据报通道发送数据，比起在客户端使用套接字SocketChannel发送数据，简单很多。

接下来看看在服务器端应该如何使用DatagramChannel数据包通道接收数据呢？

下面贴出服务器端通过DatagramChannel数据包通道接收数据的程序代码，可能大家目前不一定可以看懂，因为代码中用到了Selector选择器，但是不要紧，下一个小节就介绍它。

服务器端的接收功能是：通过DatagramChannel数据报通道，绑定一个服务器地址（IP+端口），接收客户端发送过来的UDP数据报。服务器端的完整代码如下：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.udpDemos;
    //...
    public class UDPServer {
        public void receive() throws IOException {
            //获取DatagramChannel数据报通道
            DatagramChanneldatagramChannel = DatagramChannel.open();
            //设置为非阻塞模式
            datagramChannel.configureBlocking(false);
            //绑定监听地址
            datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET
                                         _SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
            Print.tcfo("UDP服务器启动成功！");
           //开启一个通道选择器
           Selector selector = Selector.open();
           //将通道注册到选择器
           datagramChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
           //通过选择器，查询IO事件
           while (selector.select() > 0) {
               Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys()
                                                            .iterator();
               ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SEND
                                            _BUFFER_SIZE);
               //迭代IO事件
               while (iterator.hasNext()) {
                   SelectionKeyselectionKey = iterator.next();
                   //可读事件，有数据到来
                   if (selectionKey.isReadable()) {
                        //读取DatagramChannel数据报通道的数据
                        SocketAddress client = datagramChannel.receive(buffer);
                        buffer.flip();
                        Print.tcfo(new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));
                        buffer.clear();
                   }
               }
               iterator.remove();
           }
           //关闭选择器和通道
           selector.close();
           datagramChannel.close();
        }
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            new UDPServer().receive();
        }
    }

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

在服务器端，首先调用了bind方法绑定datagramChannel的监听端口。当数据到来后，调用了receive方法，从datagramChannel数据包通道接收数据，再写入到ByteBuffer缓冲区中。

除此之外，在服务器端代码中，为了监控数据的到来，使用了Selector选择器。什么是选择器？如何使用选择器呢？欲知后事如何，请听下节分解。

## 1.5　详解NIO Selector选择器 ##

Java NIO的三大核心组件：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。其中通道和缓冲区，二者的联系也比较密切：数据总是从通道读到缓冲区内，或者从缓冲区写入到通道中。

至此，前面两个组件已经介绍完毕，下面迎来了最后一个非常重要的角色——选择器（Selector）。

### 1.5.1　选择器以及注册 ###

选择器（Selector）是什么呢？选择器和通道的关系又是什么？

简单地说：选择器的使命是完成IO的多路复用。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况。选择器和通道的关系，是监控和被监控的关系。

选择器提供了独特的API方法，能够选出（select）所监控的通道拥有哪些已经准备好的、就绪的IO操作事件。

一般来说，一个单线程处理一个选择器，一个选择器可以监控很多通道。通过选择器，一个单线程可以处理数百、数千、数万、甚至更多的通道。在极端情况下（数万个连接），只用一个线程就可以处理所有的通道，这样会大量地减少线程之间上下文切换的开销。

通道和选择器之间的关系，通过register（注册）的方式完成。调用通道的Channel.register（Selector sel，int ops）方法，可以将通道实例注册到一个选择器中。register方法有两个参数：第一个参数，指定通道注册到的选择器实例；第二个参数，指定选择器要监控的IO事件类型。

可供选择器监控的通道IO事件类型，包括以下四种：

（1）可读：SelectionKey.OP\_READ

（2）可写：SelectionKey.OP\_WRITE

（3）连接：SelectionKey.OP\_CONNECT

（4）接收：SelectionKey.OP\_ACCEPT

事件类型的定义在SelectionKey类中。如果选择器要监控通道的多种事件，可以用“按位或”运算符来实现。例如，同时监控可读和可写IO事件：

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

//监控通道的多种事件，用“按位或”运算符来实现
    int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

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

什么是IO事件呢？这个概念容易混淆，这里特别说明一下。这里的IO事件不是对通道的IO操作，而是通道的某个IO操作的一种就绪状态，表示通道具备完成某个IO操作的条件。

比方说，某个SocketChannel通道，完成了和对端的握手连接，则处于“连接就绪”（OP\_CONNECT）状态。

再比方说，某个ServerSocketChannel服务器通道，监听到一个新连接的到来，则处于“接收就绪”（OP\_ACCEPT）状态。

还比方说，一个有数据可读的SocketChannel通道，处于“读就绪”（OP\_READ）状态；一个等待写入数据的，处于“写就绪”（OP\_WRITE）状态。

### 1.5.2　SelectableChannel可选择通道 ###

并不是所有的通道，都是可以被选择器监控或选择的。比方说，FileChannel文件通道就不能被选择器复用。判断一个通道能否被选择器监控或选择，有一个前提：判断它是否继承了抽象类SelectableChannel（可选择通道）。如果继承了SelectableChannel，则可以被选择，否则不能。

简单地说，一条通道若能被选择，必须继承SelectableChannel类。

SelectableChannel类，是何方神圣呢？它提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。Java NIO中所有网络链接Socket套接字通道，都继承了SelectableChannel类，都是可选择的。而FileChannel文件通道，并没有继承SelectableChannel，因此不是可选择通道。

### 1.5.3　SelectionKey选择键 ###

通道和选择器的监控关系注册成功后，就可以选择就绪事件。具体的选择工作，和调用选择器Selector的select()方法来完成。通过select方法，选择器可以不断地选择通道中所发生操作的就绪状态，返回注册过的感兴趣的那些IO事件。换句话说，一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键的集合中。

这里出现一个新的概念——SelectionKey选择键。SelectionKey选择键是什么呢？简单地说，SelectionKey选择键就是那些被选择器选中的IO事件。前面讲到，一个IO事件发生（就绪状态达成）后，如果之前在选择器中注册过，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键集合中；如果之前没有注册过，即使发生了IO事件，也不会被选择器选中。SelectionKey选择键和IO的关系，可以简单地理解为：选择键，就是被选中了的IO事件。

在编程时，选择键的功能是很强大的。通过SelectionKey选择键，不仅仅可以获得通道的IO事件类型，比方说SelectionKey.OP\_READ；还可以获得发生IO事件所在的通道；另外，也可以获得选出选择键的选择器实例。

### 1.5.4　选择器使用流程 ###

使用选择器，主要有以下三步：

（1）获取选择器实例；（2）将通道注册到选择器中；（3）轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）。

第一步：获取选择器实例

选择器实例是通过调用静态工厂方法open()来获取的，具体如下：

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

//调用静态工厂方法open()来获取Selector实例
    Selector selector = Selector.open();

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

Selector选择器的类方法open()的内部，是向选择器SPI（SelectorProvider）发出请求，通过默认的SelectorProvider（选择器提供者）对象，获取一个新的选择器实例。Java中SPI全称为（Service Provider Interface，服务提供者接口），是JDK的一种可以扩展的服务提供和发现机制。Java通过SPI的方式，提供选择器的默认实现版本。也就是说，其他的服务提供商可以通过SPI的方式，提供定制化版本的选择器的动态替换或者扩展。

第二步：将通道注册到选择器实例

要实现选择器管理通道，需要将通道注册到相应的选择器上，简单的示例代码如下：

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

// 2.获取通道
    ServerSocketChannelserverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    // 3.设置为非阻塞
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    // 4.绑定连接
    serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
    // 5.将通道注册到选择器上,并制定监听事件为：“接收连接”事件
    serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);

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

上面通过调用通道的register()方法，将ServerSocketChannel通道注册到了一个选择器上。当然，在注册之前，首先要准备好通道。

这里需要注意：注册到选择器的通道，必须处于非阻塞模式下，否则将抛出IllegalBlockingModeException异常。这意味着，FileChannel文件通道不能与选择器一起使用，因为FileChannel文件通道只有阻塞模式，不能切换到非阻塞模式；而Socket套接字相关的所有通道都可以。

其次，还需要注意：一个通道，并不一定要支持所有的四种IO事件。例如服务器监听通道ServerSocketChannel，仅仅支持Accept（接收到新连接）IO事件；而SocketChannel传输通道，则不支持Accept（接收到新连接）IO事件。

如何判断通道支持哪些事件呢？可以在注册之前，可以通过通道的validOps()方法，来获取该通道所有支持的IO事件集合。

第三步：选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）

通过Selector选择器的select()方法，选出已经注册的、已经就绪的IO事件，保存到SelectionKey选择键集合中。SelectionKey集合保存在选择器实例内部，是一个元素为SelectionKey类型的集合（Set）。调用选择器的selectedKeys()方法，可以取得选择键集合。

接下来，需要迭代集合的每一个选择键，根据具体IO事件类型，执行对应的业务操作。大致的处理流程如下：

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

//轮询，选择感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
    while (selector.select() > 0) {
            Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
            while(keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
    //根据具体的IO事件类型，执行对应的业务操作
                    if(key.isAcceptable()) {
                    // IO事件：ServerSocketChannel服务器监听通道有新连接
                    } else if (key.isConnectable()) {
                    // IO事件：传输通道连接成功
                    } else if (key.isReadable()) {
                    // IO事件：传输通道可读
                    } else if (key.isWritable()) {
                    // IO事件：传输通道可写
                    }
                    //处理完成后，移除选择键
                    keyIterator.remove();
            }
    }

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

处理完成后，需要将选择键从这个SelectionKey集合中移除，防止下一次循环的时候，被重复的处理。SelectionKey集合不能添加元素，如果试图向SelectionKey选择键集合中添加元素，则将抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

用于选择就绪的IO事件的select()方法，有多个重载的实现版本，具体如下：

（1）select()：阻塞调用，一直到至少有一个通道发生了注册的IO事件。

（2）select(long timeout)：和select()一样，但最长阻塞时间为timeout指定的毫秒数。

（3）selectNow()：非阻塞，不管有没有IO事件，都会立刻返回。

select()方法返回的整数值（int整数类型），表示发生了IO事件的通道数量。更准确地说，是从上一次select到这一次select之间，有多少通道发生了IO事件。强调一下，select()方法返回的数量，指的是通道数，而不是IO事件数，准确地说，是指发生了选择器感兴趣的IO事件的通道数。

### 1.5.5　使用NIO实现Discard服务器的实践案例 ###

Discard服务器的功能很简单：仅仅读取客户端通道的输入数据，读取完成后直接关闭客户端通道；并且读取到的数据直接抛弃掉（Discard）。Discard服务器足够简单明了，作为第一个学习NIO的通信实例，较有参考价值。

下面的Discard服务器代码，将选择器使用流程中的步骤进行了细化：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.NioDiscard;
    //...
    public class NioDiscardServer {
        public static void startServer() throws IOException {
            // 1.获取选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 2.获取通道
            ServerSocketChannelserverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 3.设置为非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            // 4.绑定连接
            serverSocketChannel.bind(newInetSocketAddress(NioDemoConfig
                                              .SOCKET_SERVER_PORT));
            Logger.info("服务器启动成功");
            // 5.将通道注册的“接收新连接”IO事件，注册到选择器上
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 6.轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
            while (selector.select() > 0) {
                // 7.获取选择键集合
                Iterator<SelectionKey>selectedKeys = selector.selectedKeys().
                                                                 iterator();
                while (selectedKeys.hasNext()) {
                    // 8.获取单个的选择键，并处理
                    SelectionKeyselectedKey = selectedKeys.next();
                    // 9.判断key是具体的什么事件
                    if (selectedKey.isAcceptable()) {
                        // 10.若选择键的IO事件是“连接就绪”事件,就获取客户端连接
                        SocketChannelsocketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        // 11.切换为非阻塞模式
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 12.将该新连接的通道的可读事件，注册到选择器上
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (selectedKey.isReadable()) {
                        // 13.若选择键的IO事件是“可读”事件, 读取数据
                        SocketChannelsocketChannel = (SocketChannel) selectedKey.
                                                                 channel();
                        // 14.读取数据，然后丢弃
                        ByteBufferbyteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int length = 0;
                        while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) >0) {
                            byteBuffer.flip();
                            Logger.info(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                            byteBuffer.clear();
                        }
                        socketChannel.close();
                    }
                    // 15.移除选择键
                    selectedKeys.remove();
                }
            }
            // 16.关闭连接
            serverSocketChannel.close();
        }
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            startServer();
        }
    }

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

实现DiscardServer一共分为16步，其中第7到第15步是循环执行的。不断选择感兴趣的IO事件到选择器的选择键集合中，然后通过selector.selectedKeys()获取该选择键集合，并且进行迭代处理。对于新建立的socketChannel客户端传输通道，也要注册到同一个选择器上，使用同一个选择线程，不断地对所有的注册通道进行选择键的选择。

在DiscardServer程序中，涉及到两次选择器注册：一次是注册serverChannel服务器通道；另一次，注册接收到的socketChannel客户端传输通道。serverChannel服务器通道注册的，是新连接的IO事件SelectionKey.OP\_ACCEPT；客户端socketChannel传输通道注册的，是可读IO事件SelectionKey.OP\_READ。

DiscardServer在对选择键进行处理时，通过对类型进行判断，然后进行相应的处理

（1）如果是SelectionKey.OP\_ACCEPT新连接事件类型，代表serverChannel服务器通道发生了新连接事件，则通过服务器通道的accept方法，获取新的socketChannel传输通道，并且将新通道注册到选择器。

（2）如果是SelectionKey.OP\_READ可读事件类型，代表某个客户端通道有数据可读，则读取选择键中socketChannel传输通道的数据，然后丢弃。

客户端的DiscardClient代码，则更为简单。客户端首先建立到服务器的连接，发送一些简单的数据，然后直接关闭连接。代码如下：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.NioDiscard;
    //...
    public class NioDiscardClient {
        public static void startClient() throws IOException {
            InetSocketAddress address =new InetSocketAddress(NioDemoConfig.
                                SOCKET_SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
            // 1.获取通道
            SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open(address);
            // 2.切换成非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
               //不断地自旋、等待连接完成，或者做一些其他的事情
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
            }
            Logger.info("客户端连接成功");
            // 3.分配指定大小的缓冲区
            ByteBufferbyteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            byteBuffer.put("hello world".getBytes());
            byteBuffer.flip();
            //发送到服务器
            socketChannel.write(byteBuffer);
            socketChannel.shutdownOutput();
            socketChannel.close();
        }
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            startClient();
        }
    }

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

如果需要执行整个程序，首先要执行前面的服务器端程序，然后执行后面的客户端程序。

通过Discard服务器的开发实践，大家对NIO Selector（选择）的使用流程，应该了解得非常清楚了。

下面来看一个稍微复杂一点的案例：在服务器端接收文件和内容。

### 1.5.6　使用SocketChannel在服务器端接收文件的实践案例 ###

本示例演示文件的接收，是服务器端的程序。和前面介绍的文件发送的SocketChannel客户端程序是相互配合使用的。由于在服务器端，需要用到选择器，所以在介绍完选择器后，才开始介绍NIO文件传输的Socket服务器端程序。服务器端接收文件的示例代码如下所示：

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

package com.crazymakercircle.iodemo.socketDemos;
    //...
    public class NioReceiveServer {
        private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
        /**
         * 内部类，服务器端保存的客户端对象，对应一个客户端文件
         */
        static class Client {
            //文件名称
            String fileName;
            //长度
            long fileLength;
            //开始传输的时间
            long startTime;
            //客户端的地址
            InetSocketAddressremoteAddress;
            //输出的文件通道
            FileChanneloutChannel;
        }
        private ByteBuffer buffer
                = ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SERVER_BUFFER_SIZE);
        //使用Map保存每个文件传输，当OP_READ可读时，根据通道找到对应的对象
        Map<SelectableChannel, Client>clientMap = new HashMap<SelectableChannel, Client>();
        public void startServer() throws IOException {
            // 1.获取选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 2.获取通道
            ServerSocketChannelserverChannel = ServerSocketChannel.open();
            ServerSocketserverSocket = serverChannel.socket();
            // 3.设置为非阻塞
            serverChannel.configureBlocking(false);
            // 4.绑定连接
            InetSocketAddress address
                    = new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
            serverSocket.bind(address);
            // 5.将通道注册到选择器上,并注册的IO事件为：“接收新连接”
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            Print.tcfo("serverChannel is listening...");
            // 6.选择感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
            while (selector.select() > 0) {
                // 7.获取选择键集合
                Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    // 8.获取单个的选择键，并处理
                    SelectionKey key = it.next();
                    // 9.判断key是具体的什么事件，是否为新连接事件
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 10.若接受的事件是“新连接”事件,就获取客户端新连接
                        ServerSocketChannel server 
                                         = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannelsocketChannel = server.accept();
                        if (socketChannel == null) continue;
                        // 11.客户端新连接，切换为非阻塞模式
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 12.将客户端新连接通道注册到选择器上
                        SelectionKeyselectionKey =
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 为每一条传输通道，建立一个Client客户端对象，放入map，供后面使用
                        Client client = new Client();
                        client.remoteAddress  
                                = (InetSocketAddress) socketChannel.getRemoteAddress();
                        clientMap.put(socketChannel, client);
                        Logger.info(socketChannel.getRemoteAddress() + "连接成功...");
                    } else if (key.isReadable()) {
                        // 13.若接收的事件是“数据可读”事件,就读取客户端新连接
                        processData(key);
                      }
                    // NIO的特点只会累加，已选择的键的集合不会删除
                    // 如果不删除，下一次又会被select函数选中
                    it.remove();
                }
            }
        }
        /**
         * 处理客户端传输过来的数据
         */
        private void processData(SelectionKey key) throws IOException {
            Client client = clientMap.get(key.channel());
            SocketChannelsocketChannel = (SocketChannel) key.channel();
            int num = 0;
            try {
                buffer.clear();
                while ((num = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
                    buffer.flip();
                    if (null == client.fileName) {
                        //客户端发送过来的，首先是文件名
                        //根据文件名，创建服务器端的文件，将文件通道保存到客户端
                        String fileName = charset.decode(buffer).toString();
                        String destPath = IOUtil.getResourcePath(
                        NioDemoConfig.SOCKET_RECEIVE_PATH);
                        File directory = new File(destPath);
                        if (!directory.exists()) {
                            directory.mkdir();
                        }
                        client.fileName = fileName;
                        String fullName = directory.getAbsolutePath()
                                + File.separatorChar + fileName;
                        Logger.info("NIO  传输目标文件：" + fullName);
                        File file = new File(fullName);
                        FileChannelfileChannel 
                                      = new FileOutputStream(file).getChannel();
                        client.outChannel = fileChannel;
                    }else if (0 == client.fileLength) {
                        //客户端发送过来的，其次是文件长度
                        long fileLength = buffer.getLong();
                        client.fileLength = fileLength;
                        client.startTime = System.currentTimeMillis();
                        Logger.info("NIO  传输开始：");
                        } else {
                            //客户端发送过来的，最后是文件内容，写入文件内容
                            client.outChannel.write(buffer);
                        }
                    buffer.clear();
                }
                   key.cancel();
            } catch (IOException e) {
                key.cancel();
                e.printStackTrace();
                return;
            }
            // 读取数量-1，表示客户端传输结束标志到了
            if (num == -1) {
                IOUtil.closeQuietly(client.outChannel);
                System.out.println("上传完毕");
                key.cancel();
                Logger.info("文件接收成功,File Name：" + client.fileName);
                Logger.info(" Size：" + 
                                    IOUtil.getFormatFileSize(client.fileLength));
                long endTime = System.currentTimeMillis();
                Logger.info("NIO IO传输毫秒数：" + (endTime - client.startTime));
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            NioReceiveServer server = new NioReceiveServer();
            server.startServer();
        }
    }

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

由于客户端每次传输文件，都会分为多次传输：

（1）首先传入文件名称。

（2）其次是文件大小。

（3）然后是文件内容。

对应于每一个客户端socketChannel，创建一个Client客户端对象，用于保存客户端状态，分别保存文件名、文件大小和写入的目标文件通道outChannel。

socketChannel和Client对象之间是一对一的对应关系：建立连接的时候，以socketChannel作为键（Key），Client对象作为值（Value），将Client保存在map中。当socketChannel传输通道有数据可读时，通过选择键key.channel()方法，取出IO事件所在socketChannel通道。然后通过socketChannel通道，从map中取到对应的Client对象。

接收到数据时，如果文件名为空，先处理文件名称，并把文件名保存到Client对象，同时创建服务器上的目标文件；接下来再读到数据，说明接收到了文件大小，把文件大小保存到Client对象；接下来再接到数据，说明是文件内容了，则写入Client对象的outChannel文件通道中，直到数据读取完毕。

运行方式：启动这个NioReceiveServer服务器程序后，再启动前面介绍的客户端程序NioSendClient，即可以完成文件的传输。

## 1.6　本章小结 ##

在编程难度上，Java NIO编程的难度比同步阻塞Java OIO编程大很多。请注意，前面的实践案例，是比较简单的，并不是复杂的通信程序，没有看到“粘包”和“拆包”等问题。如果加上这些问题，代码将会更加复杂。

与Java OIO相比，Java NIO编程大致的特点如下：

（1）在NIO中，服务器接收新连接的工作，是异步进行的。不像Java的OIO那样，服务器监听连接，是同步的、阻塞的。NIO可以通过选择器（也可以说成：多路复用器），后续不断地轮询选择器的选择键集合，选择新到来的连接。

（2）在NIO中，SocketChannel传输通道的读写操作都是异步的。如果没有可读写的数据，负责IO通信的线程不会同步等待。这样，线程就可以处理其他连接的通道；不需要像OIO那样，线程一直阻塞，等待所负责的连接可用为止。

（3）在NIO中，一个选择器线程可以同时处理成千上万个客户端连接，性能不会随着客户端的增加而线性下降。

总之，有了Linux底层的epoll支持，有了Java NIO Selector选择器这样的应用层IO复用技术，Java程序从而可以实现IO通信的高TPS、高并发，使服务器具备并发数十万、数百万的连接能力。Java的NIO技术非常适合用于高性能、高负载的网络服务器。鼎鼎大名的通信服务器中间件Netty，就是基于Java的NIO技术实现的。

当然，Java NIO技术仅仅是基础，如果要实现通信的高性能和高并发，还离不开高效率的设计模式。下一章将开始为大家介绍高性能服务必备的设计模式：Reactor反应器模式。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpbnRpbmdhbmR6aG91eWFuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221023/61e7badf63b54aaba1ab31646350c735.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpbnRpbmdhbmR6aG91eWFuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221023/e7357462d60647f59540464b9b81c5e3.png