I/O 模型学习笔记【全面理解BIO/NIO/AIO】

短命女 2024-02-21 11:34 12阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  I/O 模型
 *   *  什么是 I/O 模型
     *  Java支持3种I/O模型
     *   *  BIO（Blocking I/O）
         *  NIO（Non-blocking I/O）
         *  AIO（Asynchronous I/O）
     *  BIO、NIO、AIO适用场景分析
 *  java BIO
 *   *  Java BIO 基本介绍
     *  Java BIO 编程流程
     *  一个栗子
     *   *  实现内容：
         *  telnet测试
 *  java NIO
 *   *  Java NIO 基本介绍
     *  原理图
     *  NIO 三大核心-缓冲区（Buffer）
     *   *  基本说明
         *  缓冲区的类型
         *  缓冲区的创建：
         *  缓冲区的属性：
         *  缓冲区的读写：
         *  缓冲区的模式：
         *  缓冲区的使用：
     *  NIO 三大核心-通道(Channel)
     *   *  基本说明
         *  通道的类型
         *  通道的创建：
         *  读取和写入数据
         *  通道的关闭
         *  定位和截断
         *  传输数据
         *  应用实例
     *  NIO 三大核心-选择器（Selector）
     *   *  基本说明
         *  基本原理
         *  选择器的创建：
         *  通道的注册：
         *  选择就绪的通道：
         *  处理就绪的通道：
         *  取消注册：
     *  NIO 网络编程示例
     *   *  一个简单的聊天室服务器和客户端
         *  测试
     *  NIO与零拷贝
     *   *  零拷贝的作用
         *  零拷贝关键概念和常见的实现方式

## I/O 模型 ##

### 什么是 I/O 模型 ###

I/O 模型可以简单理解为决定了数据如何在程序和外部环境（例如磁盘、网络等）之间进行发送和接收的方式，从而直接影响了程序通信的性能。不同的 I/O 模型可以以不同的方式管理数据的传输和处理，这些方式可以在性能、并发性和可维护性等方面产生重要影响。

### Java支持3种I/O模型 ###

#### BIO（Blocking I/O） ####

BIO 是传统的阻塞式 I/O 模型，它的特点是当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞，直到操作完成。这种模型在编程上比较简单，但在高并发环境下性能较差，因为每个连接都需要一个独立的线程，会导致资源消耗过大。  
![在这里插入图片描述][a57a345e05354a79aa38a63713dbcdd0.png]

#### NIO（Non-blocking I/O） ####

NIO 是新的非阻塞 I/O 模型，它使用了 Java NIO 包中的通道（Channel）和缓冲区（Buffer）来实现。NIO 支持多路复用技术，允许一个线程监视多个通道的状态，从而更高效地处理多个连接。NIO 在高并发环境中表现更出色，但编程复杂度相对较高。  
![在这里插入图片描述][abfed14f8eca492a8bee886348e565e3.png]

#### AIO（Asynchronous I/O） ####

AIO 是异步 I/O 模型，它通过 Java NIO 2 中的异步通道（AsynchronousChannel）来实现。AIO 允许程序发起 I/O 操作后继续执行其他任务，而不需要轮询操作状态，当操作完成时会通知程序。这种模型适用于需要高度并发和异步操作的场景，但编程复杂性也相对较高。

### BIO、NIO、AIO适用场景分析 ###

**1, BIO（Blocking I/O）：**

*  适用场景：BIO 适合于简单的、并发要求不高的应用程序，特别是在单线程或低并发环境中。它的编程模型较为简单，易于理解和实现。常见的应用包括文件 I/O 操作、简单的网络通信以及需要处理少量并发连接的服务器。
 *  优点：简单易用，适合初学者；适用于并发要求不高的场景。
 *  缺点：在高并发环境中性能不佳，因为每个连接都需要一个独立的线程，导致资源消耗较高。

**2, NIO（Non-blocking I/O）：**

*  适用场景：NIO 适合需要处理大量并发连接的服务器应用，例如聊天服务器、Web服务器、代理服务器等。它也适用于需要高性能和响应时间的应用。NIO 的非阻塞特性可以更高效地管理多个连接。
 *  优点：适用于高并发场景；性能相对较高；支持多路复用。
 *  缺点：编程复杂，对开发者要求较高；需要精细的事件处理。

**3, AIO（Asynchronous I/O）：**

*  适用场景：AIO 适合需要进行异步操作的应用，尤其是需要高度并发、可扩展性和高性能的应用。这包括高性能的网络服务器、数据库访问、大规模文件处理等。
 *  优点：异步操作，可处理大量并发连接；适用于高性能和高并发需求；避免了轮询。
 *  缺点：编程复杂度较高，需要熟练掌握异步编程概念；在某些情况下，可能会增加代码的复杂性。

## java BIO ##

### Java BIO 基本介绍 ###

Java BIO（Blocking I/O，阻塞式I/O）是Java传统的I/O模型，它的工作方式基于阻塞操作。在Java BIO中，I/O操作会导致程序被阻塞，直到操作完成。以下是关于Java BIO的基本介绍：

*  阻塞模型：在Java BIO中，当程序执行I/O操作时，它会被阻塞，直到操作完成。这意味着程序无法执行其他任务，直到I/O操作完成或发生超时。
 *  同步操作：BIO的I/O操作是同步的，这意味着程序在发出I/O请求后需要等待直到数据准备就绪或写入完成。这通常涉及到使用Java的输入流和输出流来进行读取和写入操作。
 *  适用性：BIO适用于相对简单的I/O操作，特别是在单线程或低并发环境中。例如，它可以用于文件I/O操作，网络通信，或者处理少量并发连接的服务器。
 *  资源消耗：BIO的一个主要问题是资源消耗。每个连接都需要一个独立的线程，这在高并发情况下会导致线程资源的浪费和性能下降。大量线程的创建和管理也可能导致系统开销增加。

**工作原理图**：  
![在这里插入图片描述][968d5f81c67247f89ffbd4367c41e5cd.png]

### Java BIO 编程流程 ###

1.  创建ServerSocket：在服务器端，首先需要创建一个 ServerSocket 对象，它用于监听客户端的连接请求。通常，你需要指定服务器监听的端口号。

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);

1.  等待客户端连接：使用 ServerSocket 的 accept() 方法，服务器会一直阻塞等待客户端连接请求。当有客户端请求连接时，accept() 方法返回一个 Socket 对象，代表与客户端的通信通道。

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

1.  创建输入输出流：一旦客户端连接被接受，你可以通过 Socket 对象获取输入流和输出流，以进行数据的读取和写入。通常，使用 InputStream 和 OutputStream。

InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
    OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream();

1.  数据读取和写入：使用输入流和输出流，你可以从客户端读取数据和向客户端写入数据。数据的读写操作是阻塞的，这意味着它们会一直等待数据准备就绪或数据写入完成。

byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = inputStream.read(buffer);
    outputStream.write(buffer, 0, bytesRead);

1.  关闭连接：当通信完成时，你应该关闭连接，释放资源。首先关闭输入流、输出流、然后关闭Socket，最后关闭 ServerSocket。

inputStream.close();
    outputStream.close();
    clientSocket.close();
    serverSocket.close();

这是一个简单的Java BIO编程流程的示例，它展示了如何创建服务器、等待客户端连接、进行数据传输，最后关闭连接。需要注意的是，该示例是单线程的，对于多个客户端连接，你需要创建多个线程来处理每个连接，这也是BIO模型在高并发环境下性能较差的原因之一。

### 一个栗子 ###

#### 实现内容： ####

创建了一个服务器，监听6666端口，并使用线程池处理多个客户端连接。每当有客户端连接时，会创建一个新的ClientHandler线程来处理连接。这种方式可以同时处理多个客户端连接，提高了服务器的并发性能。

public class BioTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            final int port = 6666;
            final int poolSize = 10; // 线程池大小
    
            // 创建线程池
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);
    
            try {
        
                // 创建ServerSocket并绑定到指定端口
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
                System.out.println("Server listening on port " + port);
    
                while (true) {
        
                    // 等待客户端连接请求，当有连接请求时，accept方法返回一个Socket对象
                    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                    System.out.println("Accepted connection from " + clientSocket.getRemoteSocketAddress());
    
                    // 使用线程池处理客户端连接
                    executorService.execute(new ClientHandler(clientSocket));
                }
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        // 客户端处理线程
        static class ClientHandler implements Runnable {
        
            private Socket clientSocket;
    
            public ClientHandler(Socket clientSocket) {
        
                this.clientSocket = clientSocket;
            }
    
            @Override
            public void run() {
        
                try {
        
                    // 获取输入流和输出流
                    InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
                    OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream();
    
                    // 读取客户端发送的数据
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    int bytesRead;
                    while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
        
                        // 将数据原样写回客户端
                        outputStream.write(buffer, 0, bytesRead);
                        System.out.println("get message:"+new String(buffer, 0, bytesRead
                        ));
                    }
    
                    // 关闭连接
                    clientSocket.close();
                    System.out.println("Connection closed");
                } catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
    }

#### telnet测试 ####

*  打开本地cmd输入

telnet 127.0.0.1 6666

![在这里插入图片描述][e948aac0ffe64bcea9bda082128fa527.png]

*  输入ctrl+\]调出Telnet命令行

ctrl+]

*  send 命令发送测试

send hello

![在这里插入图片描述][d7b30d9bd9d74bc9a8f7d7effedbb8ae.png]

## java NIO ##

### Java NIO 基本介绍 ###

Java NIO（New I/O，新I/O）是Java编程语言中用于非阻塞I/O操作的一组API。它提供了一种更灵活、高效的I/O处理方式，适用于高并发和高性能的网络通信和文件操作。以下是Java NIO的基本介绍：

*  非阻塞模型：Java NIO采用了非阻塞I/O模型，与传统的阻塞I/O（BIO）不同，它不会导致线程在I/O操作中阻塞，而是可以继续执行其他任务，从而提高并发性能。
 *  通道和缓冲区：NIO引入了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念。通道是数据的源或目标，缓冲区用于在通道和应用程序之间传输数据。通道可以是文件、套接字、管道等。
 *  选择器（Selector）：Java NIO还引入了选择器，用于多路复用I/O操作。选择器可以同时管理多个通道，监测它们的状态，一旦有通道准备好执行读或写操作，选择器就会通知应用程序进行处理，而不需要轮询。
 *  多线程：Java NIO适用于多线程环境。多个线程可以同时监听和处理多个通道，从而实现高并发的I/O操作。
 *  适用性：Java NIO适用于需要高并发、高性能的网络通信应用，例如Web服务器、代理服务器、聊天服务器等。它还适用于需要高效文件操作的应用。
 *  高性能：由于非阻塞模型和多路复用技术，Java NIO通常具有较高的性能，可以处理大量并发连接。
 *  编程复杂性：相对于传统的BIO，Java NIO的编程复杂性较高，需要更多的编码工作。但它提供了更灵活的控制和更高的性能。

### 原理图 ###

![在这里插入图片描述][1939c1fbd4974eeab79a81635166be52.png]关系**图的说明:**  
1，每个channel 都会对应一个Buffer  
2，Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)  
3，该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序  
4，程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念  
5，Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换  
6，Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组  
7，数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换  
8，channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统通道就是双向的.

### NIO 三大核心-缓冲区（Buffer） ###

#### 基本说明 ####

缓冲区（Buffer）是Java NIO 中的核心组件之一，用于在通道（Channel）和应用程序之间传输数据。缓冲区是一个固定大小的内存区域，它可以保存各种类型的数据，如字节、字符、整数等。缓冲区具有一些重要的属性和方法，用于管理数据的读取和写入。

#### 缓冲区的类型 ####

Java NIO 提供了不同类型的缓冲区，每种类型适用于不同数据类型的读写。常见的缓冲区类型包括：

*  ByteBuffer：用于字节数据。
 *  CharBuffer：用于字符数据。
 *  ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer：用于整数数据。
 *  FloatBuffer、DoubleBuffer：用于浮点数数据。

#### 缓冲区的创建： ####

*  缓冲区可以使用静态工厂方法创建，通常通过allocate()方法分配指定大小的缓冲区。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 创建一个1KB的字节缓冲区

#### 缓冲区的属性： ####

缓冲区有一些重要属性，包括**容量**（capacity）、**位置**（position）、**限制**（limit）和**标记**（mark）。

*  **容量**：缓冲区的总容量，即它可以保存的数据大小。
 *  **位置**：当前读或写的位置，通常从0开始。
 *  **限制**：限制了从缓冲区读取或写入的位置，通常等于容量，但可以通过设置进行更精确的控制。
 *  **标记**：一个可选的标记位置，通常用于记录某个位置，以后可以通过reset()方法返回到这个位置。

#### 缓冲区的读写： ####

缓冲区提供了一系列读取和写入数据的方法，通常包括put()用于写入数据，get()用于读取数据，flip()用于切换读写模式，rewind()用于重新读取，以及clear()和compact()等用于清空缓冲区或重新组织数据的方法。

#### 缓冲区的模式： ####

缓冲区有两种主要模式：读模式和写模式。在读模式下，你可以从缓冲区读取数据；在写模式下，你可以向缓冲区写入数据。使用flip()方法可以在读写模式之间切换。

#### 缓冲区的使用： ####

*  通常，编写NIO程序的过程包括创建缓冲区、写入数据到缓冲区、从缓冲区读取数据，以及确保在读写模式之间正确切换。
 *  缓冲区是与通道一起使用的，通过通道进行数据的读写。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    // 写入数据到缓冲区
    buffer.put("Hello, World!".getBytes());
    
    // 切换到读模式，准备从缓冲区读取数据
    buffer.flip();
    
    // 从缓冲区读取数据
    while (buffer.hasRemaining()) {
        
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    
    // 清空缓冲区，为下一次写入数据做准备
    buffer.clear();

### NIO 三大核心-通道(Channel) ###

#### 基本说明 ####

通道（Channel）是Java NIO（New I/O）中的核心概念之一，它用于在数据源和数据目标之间进行双向数据传输。通道通常与缓冲区（Buffer）结合使用，以实现高效的数据读取和写入。

#### 通道的类型 ####

*  Java NIO提供了不同类型的通道，用于不同的数据源和数据目标，包括文件、网络套接字、管道等。
 *  常见的通道类型包括FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel。

#### 通道的创建： ####

*  通道通常通过工厂方法来创建，具体取决于通道类型。
 *  以下是创建FileChannel和SocketChannel的示例：

import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.nio.channels.FileChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    // 创建FileChannel
    FileChannel fileChannel = new FileInputStream("source.txt").getChannel();
    
    // 创建SocketChannel
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

#### 读取和写入数据 ####

*  通道通常与缓冲区一起使用，用于数据的读取和写入。数据可以从通道读入缓冲区，或从缓冲区写入通道。
 *  以下是使用FileChannel进行数据读写的示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    // 从FileChannel读取数据到缓冲区
    int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
    
    // 将数据从缓冲区写入FileChannel
    buffer.flip(); // 切换到读模式
    while (buffer.hasRemaining()) {
        
        fileChannel.write(buffer);
    }

#### 通道的关闭 ####

*  通道使用后应该显式关闭以释放资源。通常使用close()方法来关闭通道。
 *  通道的关闭是非常重要的，以避免资源泄漏。

fileChannel.close();

#### 定位和截断 ####

*  通道具有当前位置，通过position()和position(long pos)方法来查询和设置。
 *  FileChannel还支持文件指针的设置，可以使用position(long pos)方法。

long currentPosition = fileChannel.position(); // 查询当前位置
    fileChannel.position(1024); // 设置新位置

#### 传输数据 ####

通道支持直接数据传输，通过transferTo()和transferFrom()方法在通道之间传输数据。

FileChannel sourceChannel = new FileInputStream("source.txt").getChannel();
    FileChannel destChannel = new FileOutputStream("destination.txt").getChannel();
    sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), destChannel);

#### 应用实例 ####

实例要求:  
使用 FileChannel(通道) 和 方法 transferFrom ，完成文件的拷贝

拷贝一张图片  
代码演示:

public class NIOFileChannel04 {
        
        public static void main(String[] args)  throws Exception {
        
    
            //创建相关流
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.png");
            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.png");
    
            //获取各个流对应的filechannel
            FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
            FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();
    
            //使用transferForm完成拷贝
            destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());
            //关闭相关通道和流
            sourceCh.close();
            destCh.close();
            fileInputStream.close();
            fileOutputStream.close();
        }
    }

### NIO 三大核心-选择器（Selector） ###

#### 基本说明 ####

选择器（Selector）是Java NIO中的一个关键组件，它允许单个线程来监视多个通道的I/O事件，从而实现高效的非阻塞I/O操作。选择器的主要作用是管理多个通道的事件，如读就绪、写就绪、连接就绪等，并且能够提供一种有效的方式，以便在这些通道之间切换。  
![在这里插入图片描述][ea5d1df5b59146e7a265202604c84132.png]

#### 基本原理 ####

选择器（Selector）的主要原理是使用单个线程来管理多个客户端连接的I/O事件。这种机制称为多路复用（Multiplexing）。以下是多路复用选择器的基本原理：

*  **单线程管理多个通道**：选择器创建一个线程，该线程负责管理多个通道，监视它们的I/O事件。这些通道可以是SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel等。线程使用选择器来注册并监视这些通道。
 *  **事件通知**：当一个或多个通道上的I/O事件发生时（如有数据可读、连接已建立、可写等），选择器会通知线程，而不需要线程轮询检查每个通道。
 *  **事件处理**：线程接收到事件通知后，可以使用选择器提供的方法获取就绪的通道和事件类型（如可读、可写），然后执行相应的处理逻辑。这允许一个线程有效地处理多个通道的事件。
 *  **非阻塞操作**：选择器的通道通常被设置为非阻塞模式，因此即使没有数据可读或可写，线程也不会阻塞在通道上。这使得线程可以同时处理多个通道，而不必等待每个通道的I/O操作完成。
 *  **多路复用**：选择器通过在一个线程中管理多个通道，实现了多路复用，使得一个线程可以高效地处理多个客户端连接，而不需要为每个连接都创建一个新线程。

#### 选择器的创建： ####

选择器通常使用Selector.open()来创建。一个选择器可以同时管理多个通道。

import java.nio.channels.Selector;
    
    Selector selector = Selector.open();

#### 通道的注册： ####

*  通道必须先注册到选择器，以便选择器能够监听其事件。
 *  通道可以注册为读、写、连接、接受等不同类型的事件。

import java.nio.channels.SelectionKey;
    
    SelectableChannel channel = ...; // 获取要注册的通道
    channel.configureBlocking(false); // 设置通道为非阻塞模式
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

#### 选择就绪的通道： ####

选择器可以通过select()方法来检查就绪的通道，这些通道有特定类型的事件等待处理。

int readyChannels = selector.select();

#### 处理就绪的通道： ####

通过遍历选择键（SelectionKey）来处理就绪的通道。选择键中包含了通道和其对应的就绪事件。

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : selectedKeys) {
        
        if (key.isReadable()) {
        
            // 处理可读事件
        }
        if (key.isWritable()) {
        
            // 处理可写事件
        }
        if (key.isConnectable()) {
        
            // 处理连接就绪事件
        }
        if (key.isAcceptable()) {
        
            // 处理接受连接事件
        }
    }
    selectedKeys.clear(); // 清空已处理的选择键

#### 取消注册： ####

当通道不再需要被选择器管理时，可以取消注册，释放资源。

key.cancel();

以下是一个完整的示例，演示了如何使用选择器和通道进行非阻塞I/O操作：

import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    /**
     * @Author: srf
     * @Date: 2023/10/23 17:33
     * @description:
     */
    public class NioTest {
        
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    
            Selector selector = Selector.open();
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
            while (true) {
        
                int readyChannels = selector.select();
    
                if (readyChannels == 0) {
        
                    continue;
                }
    
                for (SelectionKey key : selector.selectedKeys()) {
        
                    if (key.isAcceptable()) {
        
                        ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
                        clientChannel.configureBlocking(false);
                        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
    
                    if (key.isReadable()) {
        
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int bytesRead = clientChannel.read(buffer);
    
                        if (bytesRead == -1) {
        
                            clientChannel.close();
                        } else if (bytesRead > 0) {
        
                            buffer.flip();
                            // 处理从通道读取的数据
                            while (buffer.hasRemaining()) {
        
                                System.out.print((char) buffer.get());
                            }
                            System.out.println();
                        }
                    }
    
                    selector.selectedKeys().clear();
                }
            }
        }
    
    }

### NIO 网络编程示例 ###

#### 一个简单的聊天室服务器和客户端 ####

**NIO非阻塞聊天服务器示例**：

import java.io.IOException;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.*;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class ChatServer {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverSocket.configureBlocking(false);
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            System.out.println("Chat server is running...");
            while (true) {
        
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
    
                while (keyIterator.hasNext()) {
        
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
    
                    if (key.isAcceptable()) {
        
                        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel client = server.accept();
                        client.configureBlocking(false);
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        System.out.println("Client connected: " + client.getRemoteAddress());
                    } else if (key.isReadable()) {
        
                        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                        int bytesRead = client.read(buffer);
                        if (bytesRead == -1) {
        
                            client.close();
                        } else if (bytesRead > 0) {
        
                            buffer.flip();
                            String message = new String(buffer.array(), 0, bytesRead);
                            System.out.println("Received: " + message);
                            buffer.clear();
    
                            // Broadcast the message to all clients
                            for (SelectionKey broadcastKey : selector.keys()) {
        
                                if (broadcastKey.isValid() && broadcastKey.channel() instanceof SocketChannel) {
        
                                    SocketChannel channel = (SocketChannel) broadcastKey.channel();
                                    if (channel != client) {
        
                                        buffer.put(message.getBytes());
                                        buffer.flip();
                                        channel.write(buffer);
                                        buffer.clear();
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
    
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        }
    }

服务器端接受多个客户端连接，并允许客户端之间进行聊天。服务器接收客户端消息并将其广播给所有连接的客户端。客户端连接到服务器，并可以发送和接收消息。

**NIO非阻塞聊天客户端示例**：

import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.Scanner;
    
    public class ChatClient {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            socketChannel.configureBlocking(false);
    
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
            Thread receiveThread = new Thread(() -> {
        
                try {
        
                    while (true) {
        
                        buffer.clear();
                        int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
                        if (bytesRead == -1) {
        
                            socketChannel.close();
                            break;
                        } else if (bytesRead > 0) {
        
                            buffer.flip();
                            String receivedMessage = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit());
                            System.out.println("Received: " + receivedMessage);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            receiveThread.start();
    
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true) {
        
                String message = scanner.nextLine();
                if ("exit".equalsIgnoreCase(message)) {
        
                    socketChannel.close();
                    receiveThread.interrupt();
                    break;
                }
                buffer.clear();
                buffer.put(message.getBytes());
                buffer.flip();
                socketChannel.write(buffer);
            }
        }
    }

客户端示例中，我们使用了两个线程：一个用于接收消息，另一个用于发送消息。用户可以输入消息，并在输入"exit"时退出客户端。

#### 测试 ####

*  先启动服务端，再启动两个客户端  
    日志显示建立通信连接  
    ![在这里插入图片描述][11b55bb81f0442fdac73252e3c21ad67.png]
 *  客户端1 发送消息，客户端2接受  
    ![在这里插入图片描述][4f306b7dcfa54afbbec16b4a69dee4d0.png]  
    ![在这里插入图片描述][bb96415403c34b8595f5c1645e7aeaad.png]

### NIO与零拷贝 ###

NIO（New I/O）与零拷贝是相关但不同的概念，它们都与高性能I/O操作有关，但在不同的层面和场景下发挥作用。

*  虽然NIO可以减少数据在Java应用程序中的内存复制，但它并不等同于零拷贝。零拷贝是更低层次的操作，通常需要操作系统或硬件支持，而NIO主要是一种I/O编程模型，侧重于提供更高级别的I/O操作接口，以实现非阻塞、高并发的I/O操作。
 *  在实际应用中，可以将NIO与零拷贝技术结合使用，以最大程度地提高I/O性能。例如，可以使用NIO来管理非阻塞I/O通道，并结合零拷贝技术来执行实际的数据传输，从而在性能和效率上获得双重优势。但零拷贝技术通常需要更深入的系统编程和对底层硬件的了解，因此通常由高级编程语言的底层库或操作系统来实现。

#### 零拷贝的作用 ####

“零拷贝” 这个术语源于它的工作原理：它旨在消除或最小化数据传输中的额外数据拷贝操作，从而减少了对内存和CPU的开销。零拷贝的主要优势在于它避免了在数据传输过程中的以下拷贝操作：

*  **用户空间到内核空间的拷贝：** 在传统I/O操作中，数据通常首先从应用程序的用户空间复制到内核空间的缓冲区，然后再从内核空间传输到目标位置（如网络卡、磁盘等）。零拷贝技术避免了这个用户空间到内核空间的复制操作，将数据直接从应用程序的用户空间传输到目标位置。
 *  **内核空间到用户空间的拷贝：** 在某些情况下，内核可能需要将数据从内核空间的缓冲区复制到用户空间，以便应用程序可以访问它。零拷贝也避免了这种额外的内核到用户空间的复制操作。
 *  **中间数据缓冲的拷贝：** 零拷贝技术通常避免了将数据从一个缓冲区复制到另一个缓冲区的操作，因为数据可以直接在内存和设备之间传输。

#### 零拷贝关键概念和常见的实现方式 ####

*  **直接内存映射（Direct Memory Mapping）**：
    
     *  直接内存映射是一种零拷贝技术，它允许文件内容直接映射到内存，而无需通过中间缓冲区。
     *  操作系统和硬件允许应用程序将文件映射到内存中，使文件数据可以直接在内存和磁盘之间传输，避免了额外的数据复制。
     *  Java中，可以使用java.nio.MappedByteBuffer来实现直接内存映射。
 *  **文件描述符传输（File Descriptor Transfer）：**
    
     *  在某些操作系统中，可以将文件描述符（File Descriptor）从一个进程传递给另一个进程，而不需要将文件数据复制到内存中。
     *  这允许两个进程共享相同的文件，从而避免了数据复制的开销。
     *  在Unix/Linux系统中，可以使用sendfile系统调用来实现文件描述符传输。
 *  **DMA（Direct Memory Access）：**
    
     *  DMA是一种硬件支持的技术，它允许外部设备（如网络适配器、磁盘控制器）直接访问内存，而无需CPU的干预。
     *  数据可以直接从外部设备传输到内存，或从内存传输到外部设备，而不需要额外的内存拷贝。
     *  DMA通常由操作系统和硬件协同工作来实现。
 *  **Socket缓冲区传输：**
    
     *  部分操作系统允许将Socket缓冲区中的数据直接传输到另一个Socket缓冲区，而无需将数据从内存复制到Socket缓冲区。
     *  这种技术可用于高性能网络数据传输。

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