java nio 基础用法

传统的io模型问题：

在传统的IO模型中，每个连接创建成功之后都需要一个线程来维护，每个线程包含一个while死循环，那么1w个连接对应1w个线程，继而1w个while死循环，这就带来如下几个问题：

线程资源受限：线程是操作系统中非常宝贵的资源，同一时刻有大量的线程处于阻塞状态是非常严重的资源浪费，操作系统耗不起

线程切换效率低下：单机cpu核数固定，线程爆炸之后操作系统频繁进行线程切换，应用性能急剧下降。

除了以上两个问题，IO编程中，我们看到数据读写是以字节流为单位，效率不高。

NIO编程模型

NIO编程模型中，新来一个连接不再创建一个新的线程，而是可以把这条连接直接绑定到某个固定的线程，然后这条连接所有的读写都由这个线程来负责，那么他是怎么做到的？我们用一幅图来对比一下IO与NIO

如上图所示，IO模型中，一个连接来了，会创建一个线程，对应一个while死循环，死循环的目的就是不断监测这条连接上是否有数据可以读，大多数情况下，1w个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读，因此，很多个while死循环都白白浪费掉了，因为读不出啥数据。

而在NIO模型中，他把这么多while死循环变成一个死循环，这个死循环由一个线程控制，那么他又是如何做到一个线程，一个while死循环就能监测1w个连接是否有数据可读的呢？

这就是NIO模型中selector的作用，一条连接来了之后，现在不创建一个while死循环去监听是否有数据可读了，而是直接把这条连接注册到selector上，然后，通过检查这个selector，就可以批量监测出有数据可读的连接，进而读取数据，下面我再举个非常简单的生活中的例子说明IO与NIO的区别。

在一家幼儿园里，小朋友有上厕所的需求，小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所，他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友，有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题：

每个小朋友配一个老师。每个老师隔段时间询问小朋友是否要上厕所，如果要上，就领他去厕所，100个小朋友就需要100个老师来询问，并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去上，这就是IO模型，一个连接对应一个线程。

所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所，然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所，这就是NIO模型，所有小朋友都注册到同一个老师，对应的就是所有的连接都注册到一个线程，然后批量轮询。

这就是NIO模型解决线程资源受限的方案，实际开发过程中，我们会开多个线程，每个线程都管理着一批连接，相对于IO模型中一个线程管理一条连接，消耗的线程资源大幅减少

由于NIO模型中线程数量大大降低，线程切换效率因此也大幅度提高

NIO解决这个问题的方式是数据读写不再以字节为单位，而是以字节块为单位。IO模型中，每次都是从操作系统底层一个字节一个字节地读取数据，而NIO维护一个缓冲区，每次可以从这个缓冲区里面读取一块的数据，

这就好比一盘美味的豆子放在你面前，你用筷子一个个夹（每次一个），肯定不如要勺子挖着吃（每次一批）效率来得高。

一、Buffer demo

public class BufferTest {

public static void main(String[] args) {

//静态方法常见 buffer

IntBuffer buf = IntBuffer.allocate(10);

int[] array = new int[]{3, 5, 1};

//put一个数组到buffer中，使用put方式将

// buf.put(array);

//使用wrap方式会直接更改原数组

buf = buf.wrap(array);

//IntBuffer.wrap(array, 0, 2);

buf.put(0, 7);

int length = buf.limit();

for (int i = 0; i < length; i++) {

System.out.print(buf.get(i));

}

for (int i = 0; i < array.length; i++) {

System.out.print(array[i]);

}

System.out.println(buf);

/**

* limit = position;

* position = 0;

*/

buf.flip();

/**

* position = 0;

* limit = capacity;

*/

buf.clear();

System.out.println(buf);

//创建一个新的字节缓冲区，共享此缓冲区的内容

IntBuffer newBuffer = buf.duplicate();

System.out.println(newBuffer);

}

}

二、FileChannel demo

public class FileChannelTest {

public static void testFileChannel() throws IOException {

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("D:/nio-data.txt", "rw");

FileChannel channel = aFile.getChannel();

//分配一个新的缓冲区

ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = channel.read(allocate);

while (bytesRead != -1) {

System.out.println("Read " + bytesRead);

allocate.flip();

while (allocate.hasRemaining()) {

System.out.print((char) allocate.get());

}

allocate.clear();

bytesRead = channel.read(allocate);

}

aFile.close();

}

public static void fileChannelDemo() throws IOException {

//定义一个byteBuffer

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

FileChannel inputChannel = new FileInputStream("D:/nio-data.txt").getChannel();

FileChannel outputChannel = new FileOutputStream("D:/nio-data.txt", true).getChannel();

//读取数据

byteBuffer.clear();

int len = inputChannel.read(byteBuffer);

System.out.println(new String(byteBuffer.array(), "UTF-8"));

System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len, "UTF-8"));

ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.wrap("奥会计师八度空间".getBytes());

outputChannel.write(byteBuffer2);

outputChannel.close();

inputChannel.close();

}

public static void main(String[] args) {

try {

FileChannelTest.fileChannelDemo();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

三、不使用 选择器 selector 的 ServerSocketChannel 和 SocketChannel  的demo

服务端：

public class NioChannelServer {

private ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

//获取一个intBuffer视图，操作视图的同时原缓冲区也会改变

private IntBuffer intBuffer = byteBuffer.asIntBuffer();

private SocketChannel socketChannel = null;

private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;

/**

* 打开服务端的通道

*

* @throws Exception

*/

public void openChannel() throws Exception {

serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));

System.out.println("服务端通道已经打开");

}

/**

* 等待新的连接

*

* @throws Exception

*/

public void waitReqConn() throws Exception {

while (true) {

socketChannel = serverSocketChannel.accept();

if (null != socketChannel) {

System.out.println("新的连接加入！");

}

//处理请求

processReq();

socketChannel.close();

}

}

private void processReq() throws IOException {

System.out.println("开始读取和处理客户端数据。。");

byteBuffer.clear();

socketChannel.read(byteBuffer);

int result = intBuffer.get(0) + intBuffer.get(1);

byteBuffer.flip();

byteBuffer.clear();

//修改视图，byteBuffer也会变化

intBuffer.put(0, result);

socketChannel.write(byteBuffer);

System.out.println("读取处理完成");

}

public void start() {

try {

//打开通道

openChannel();

//等待客户端连接

waitReqConn();

socketChannel.close();

System.out.println("服务端处理完毕");

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args){

new NioChannelServer().start();

}

}

客户端：

public class NioChannelClient {

private SocketChannel socketChannel = null;

private ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(8);

private IntBuffer intBuffer = buff.asIntBuffer();

public SocketChannel connect() throws IOException {

return SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

}

public int getSum(int a, int b) {

int result = 0;

try {

socketChannel = connect();

sendRequest(a, b);

result = receiveResult();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

return result;

}

private int receiveResult() throws IOException {

buff.clear();

socketChannel.read(buff);

return intBuffer.get(0);

}

private void sendRequest(int a, int b) throws IOException {

buff.clear();

intBuffer.put(0,a);

intBuffer.put(1,b);

socketChannel.write(buff);

System.out.println("客户端发送请求 ("+a+"+"+b+")");

}

public static void main(String[] args){

Random random = new Random();

for (int i = 0; i <10 ; i++) {

int result = new NioChannelClient().getSum(random.nextInt(100),random.nextInt(100));

System.out.println(result);

}

}

}

四、使用 selector 方式 实现 ServerSocketChannel  和 SocketChannel

选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel，selector 是非阻塞 IO 的核心。

选择器（Selector）的应用：

当通道使用register（Selector sel, int ops）方法将通道注册选择器时，选择器对通道事件进行监听，通过第二个参数指定监听的事件类型。

其中可监听的事件类型包括以下：

读 : SelectionKey.OP_READ （1）

写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

如果需要监听多个事件是：

int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ; //表示同时监听读写操作

服务端：

public class SelectorServer {

private Selector selector = null;

private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;

private int keys = 0;

public void initServer() throws IOException {

selector = Selector.open();

serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

serverSocketChannel.configureBlocking(false);

//服务端通道注册accept事件

serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

}

private void listen() throws IOException {

System.out.println("服务端已经启动");

while (true) {

//让通道选择器至少选择一个通道,阻塞的方法

keys = this.selector.select();

//selector.wakeup();//可以唤醒阻塞的select()方法

//设置超时时间，非阻塞

//this.selector.select(1000);

System.out.println(keys);

Iterator itor = this.selector.selectedKeys().iterator();

if (keys > 0) {

//进行轮询

while (itor.hasNext()) {

try{

SelectionKey key = itor.next();

if (key.isAcceptable()) {

//serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();

//获取和客户端连接的服务端渠道

SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();

channel.configureBlocking(false);

channel.write(ByteBuffer.wrap("hello".getBytes()));

//还需要读取客户端发过来的数据，所以需要注册一个读取数据的事件

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) {

read(key);

}

}finally {

//处理完一个key，就删除，防止重复处理

itor.remove();

}

}

} else {

System.out.println("select finished without any keys");

}

}

}

private void read(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int len = socketChannel.read(byteBuffer);

String msg = new String(byteBuffer.array(), 0, len);

System.out.println("服务端接收到的消息是" + msg);

}

public void start() {

try {

initServer();

listen();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args) {

new SelectorServer().start();

}

}

客户端：

public class SelectorClient {

private Selector selector;

private ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

private ByteBuffer inputBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

private int keys = 0;

private SocketChannel socketChannel = null;

public void initClient() throws IOException {

selector = Selector.open();

socketChannel = SocketChannel.open();

//客户端通道配置为非阻塞

socketChannel.configureBlocking(false);

//连接服务端

socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

//注册客户端连接服务器的事件

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

}

private void listen() throws IOException {

while (true) {

keys = this.selector.select();

System.out.println(keys);

if (keys > 0) {

Iterator iter = this.selector.selectedKeys().iterator();

while (iter.hasNext()) {

try{

SelectionKey key = iter.next();

if (key.isConnectable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

if (channel.isConnectionPending()) {

channel.finishConnect();

System.out.println("完成连接");

}

//连接完成之后，肯定还要做其它的事情，比如写

channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

} else if (key.isWritable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

outBuffer.clear();

System.out.println("客户端正在写数据。。");

//从控制台写消息

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

while (true) {

String msg = scanner.next();

channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));

if("end".equals(msg)) {

break;

}

}

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

System.out.println("客户端写数据完成。。。");

} else if (key.isReadable()) {

SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

inputBuffer.clear();

int len = socketChannel.read(inputBuffer);

System.out.println("读取服务端发送的消息：" + new String(inputBuffer.array()));

}

}finally{

iter.remove();

}

}

} else {

System.out.println("select finished without any keys");

}

}

}

public void start() {

try {

initClient();

listen();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args){

new SelectorClient().start();

}

}

nio的非阻塞是对于网络通道来说的，需要使用Channel.configureBlocking(false)来设置通道为非阻塞的，如果没设置，默认是阻塞的。

Java 任务调度

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