一、BIO

java.io 中最核心的概念是流（stream），面向流编程，在 Java 中，一个流要么是输入流，要么是输出流

Blocking IO：阻塞 IO 处理多任务可采用多线程的方式

  • 一旦采用多线程的方式，可能会造成资源浪费，因为一个线程就会开辟一个栈内存空间
  • ServerSocket 的 accept 会阻塞
  • socket.getInputStream() 的 read 会阻塞

二、NIO

java.nio 中拥有三个核心概念，selector、channel、buffer，在 nio 中是面向块（block）或者是缓冲区（buffer）编程的

No Blocking IO：非阻塞IO，也就是单线程的实现多线程的方式

  • 设置 ServerSocket 的 accept 为非阻塞
  • 当有客户端连接时，保存客户端的 Socket
  • 设置读取数据 read 为非阻塞
  • 循环 List 中的 Socket 看看是否有人发送数据

Buffer

buffer 本身就是一块内存，实际上就是一个数组，数据的读写都是通过 buffer 来实现的。
java 中 8 种基本数据类型都有各自对应的 buffer 类型（除 boolean 外），如 IntBuffer、CharBuffer、ByteBuffer、ShortBuffer、LongBuffer 等。

image.png

capacity：最大容量，永远不可能是负数，并且是不会变化的
limit：限制，永远不可能是负数，并且不会大于 capacity
position：写一个读或者写的位置，永远不可能是负数，并且不会大于 limit

  • buffer.put()：往此 buffer 中放置元素（往数组中写）
  • buffer.get()：往此 buffer 中取出元素（往数组中读）

Channel

所有数据读写都是通过 buffer 来进行的，永远不会出现直接在 channel 中直接写入、读取数据，与 stream 不同的是，channel 是双向的，而 stream 可能是 inputSteram 或 outputStream，而 channel 打开后可以读又可以写

  • channel.read(buffer)：从通道中读取数据写到 buffer 中，对于 buffer 来说是写操作
  • channel.write(buffer)：从 buffer 中读取数据写到到 channel 中，对于 buffer 来说是读操作

Selector

一个 channel 注册到 selector 上，这个动作是通过 selectionKey来表示的，一个 selector 会维护三种 selectorKey 集合

  • keys()：表示注册到 selector 上面所有的 selectionKey，通过 keys() 方法返回 => 全集
  • selectedKeys()：表示感兴趣的 selectionKey，通过 selectionKeys() 方法返回 => 子集

SelectionKey

是一个抽象类，表示 selectableChannel 在 Selector 中注册的标识，每个 Channel 向 Selector 注册时，都会创建一个 selectionKey 将 Channel 与 Selector 关联在一起，并维护了 Channel 事件。

  • 可以通过 cannel 方法取消，取消的键不会立即从 selector 中移除，而是添加到 canneledKeys 中，再下一次 select 操作时会移除，所以再调用某个 key 时，需要使用 isValid 进行校验

NIO 通讯流程

image.png

底层原理

NIO 底层 IO 模型的实现和操作系统相关，通过注册给给操作系统来实现接受消息

  • Windows OS 会调用操作系统的 select 函数，也是一个轮询机制

    1. select(0, &errreadfds, &errwritefds, &errexceptfds, &zerotime)

  • Linux OS 会调用 epoll 函数，是一个事件机制

    1. /**
    2.    * Returns the default SelectorProvider.
    3.    */
    4.   public static SelectorProvider create() {
    5.       String osname = AccessController
    6.           .doPrivileged(new GetPropertyAction("os.name"));
    7.       if (osname.equals("SunOS"))
    8.           return createProvider("sun.nio.ch.DevPollSelectorProvider");
    9.       if (osname.equals("Linux"))
    10.           return createProvider("sun.nio.ch.EPollSelectorProvider");
    11.       return new sun.nio.ch.PollSelectorProvider();
    12.   }
  1. package org.wesoft.advanced.tcp.nio.simulate;
  3. import java.net.InetSocketAddress;
  4. import java.nio.ByteBuffer;
  5. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
  6. import java.nio.channels.SocketChannel;
  7. import java.util.ArrayList;
  8. import java.util.List;
  10. public class Server {
  13.     private static List<SocketChannel> list = new ArrayList<>();
  15.     public static void main(String[] args) {
  17.         try {
  18.             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
  19.             serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(6379));
  20.             serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 设置非阻塞
  22.             while (true) {
  23.                 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
  25.                 if (socketChannel == null) {
  26.                     Thread.sleep(1000);
  27.                     System.out.println("等待连接...");
  28.                 } else {
  29.                     System.out.println("来了一个客户端....");
  30.                     socketChannel.configureBlocking(false); // 设置非阻塞
  31.                     list.add(socketChannel);
  32.                 }
  34.                 for (SocketChannel client : list) {
  35.                     ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
  36.                     int len = client.read(byteBuffer);
  37.                     System.out.println(len);
  38.                     if (len > 0) {
  39.                         byteBuffer.flip();
  40.                         System.out.println("收到了客户端的消息: " + new String(byteBuffer.array()));
  41.                     }
  42.                 }
  43.             }
  45.         } catch (Exception ex) {
  46.             ex.printStackTrace();
  47.         }
  48.     }
  49. }
package org.wesoft.advanced.tcp.nio.simulate;

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 6379);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            String content = scanner.next();
            socket.getOutputStream().write(content.getBytes());
        }
    }

}