NIO 簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式進(jìn)行的。也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行一個(gè) I/O 操作時(shí)，它會(huì)被阻塞直到操作完成。這種阻塞模型在處理多個(gè)并發(fā)連接時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致性能瓶頸，因?yàn)樾枰獮槊總€(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)線程，而線程的創(chuàng)建和切換都是有開(kāi)銷的。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在 Java1.4 版本引入了一種新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也稱為 Non-blocking IO） 。NIO 彌補(bǔ)了同步阻塞 I/O 的不足，它在標(biāo)準(zhǔn) Java 代碼中提供了非阻塞、面向緩沖、基于通道的 I/O，可以使用少量的線程來(lái)處理多個(gè)連接，大大提高了 I/O 效率和并發(fā)。

??需要注意：使用 NIO 并不一定意味著高性能，它的性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高并發(fā)和高延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。當(dāng)連接數(shù)較少、并發(fā)程度較低或者網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較快時(shí)，NIO 的性能并不一定優(yōu)于傳統(tǒng)的 BIO

NIO 核心組件

NIO 主要包括以下三個(gè)核心組件：

• Buffer（緩沖區(qū)）：NIO 讀寫數(shù)據(jù)都是通過(guò)緩沖區(qū)進(jìn)行操作的。讀操作的時(shí)候?qū)?Channel 中的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，而寫操作時(shí)將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中。
• Channel（通道）：Channel 是一個(gè)雙向的、可讀可寫的數(shù)據(jù)傳輸通道，NIO 通過(guò) Channel 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。通道是一個(gè)抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他數(shù)據(jù)源之間的連接。
• Selector（選擇器）：允許一個(gè)線程處理多個(gè) Channel，基于事件驅(qū)動(dòng)的 I/O 多路復(fù)用模型。所有的 Channel 都可以注冊(cè)到 Selector 上，由 Selector 來(lái)分配線程來(lái)處理事件。

Buffer（緩沖區(qū)）

在傳統(tǒng)的 BIO 中，數(shù)據(jù)的讀寫是面向流的， 分為字節(jié)流和字符流。

在 Java 1.4 的 NIO 庫(kù)中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的，這是新庫(kù)和之前的 BIO 的一個(gè)重要區(qū)別，有點(diǎn)類似于 BIO 中的緩沖流。NIO 在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它是直接讀到緩沖區(qū)中的。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，寫入到緩沖區(qū)中。 使用 NIO 在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，都是通過(guò)緩沖區(qū)進(jìn)行操作。

Buffer 的子類如下圖所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用來(lái)存儲(chǔ)和操作字節(jié)數(shù)據(jù)。

你可以將 Buffer 理解為一個(gè)數(shù)組，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分別對(duì)應(yīng) int[]、float[]、char[] 等。

為了更清晰地認(rèn)識(shí)緩沖區(qū)，我們來(lái)簡(jiǎn)單看看Buffer 類中定義的四個(gè)成員變量：

public abstract class Buffer {
    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;
}

這四個(gè)成員變量的具體含義如下：

1. 容量（capacity）：Buffer可以存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)量，Buffer創(chuàng)建時(shí)設(shè)置且不可改變；
2. 界限（limit）：Buffer 中可以讀/寫數(shù)據(jù)的邊界。寫模式下，limit 代表最多能寫入的數(shù)據(jù)，一般等于 capacity（可以通過(guò)limit(int newLimit)方法設(shè)置）；讀模式下，limit 等于 Buffer 中實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)大小。
3. 位置（position）：下一個(gè)可以被讀寫的數(shù)據(jù)的位置（索引）。從寫操作模式到讀操作模式切換的時(shí)候（flip），position 都會(huì)歸零，這樣就可以從頭開(kāi)始讀寫了。
4. 標(biāo)記（mark）：Buffer允許將位置直接定位到該標(biāo)記處，這是一個(gè)可選屬性；

并且，上述變量滿足如下的關(guān)系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。

另外，Buffer 有讀模式和寫模式這兩種模式，分別用于從 Buffer 中讀取數(shù)據(jù)或者向 Buffer 中寫入數(shù)據(jù)。Buffer 被創(chuàng)建之后默認(rèn)是寫模式，調(diào)用 flip() 可以切換到讀模式。如果要再次切換回寫模式，可以調(diào)用 clear() 或者 compact() 方法。

Buffer 對(duì)象不能通過(guò) new 調(diào)用構(gòu)造方法創(chuàng)建對(duì)象 ，只能通過(guò)靜態(tài)方法實(shí)例化 Buffer。

這里以 ByteBuffer為例進(jìn)行介紹：

// 分配堆內(nèi)存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接內(nèi)存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);

Buffer 最核心的兩個(gè)方法：

1. get : 讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
2. put ：向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)

除上述兩個(gè)方法之外，其他的重要方法：

• flip ：將緩沖區(qū)從寫模式切換到讀模式，它會(huì)將 limit 的值設(shè)置為當(dāng)前 position 的值，將 position 的值設(shè)置為 0。
• clear: 清空緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)從讀模式切換到寫模式，并將 position 的值設(shè)置為 0，將 limit 的值設(shè)置為 capacity 的值。
• ……

Channel（通道）

Channel 是一個(gè)通道，它建立了與數(shù)據(jù)源（如文件、網(wǎng)絡(luò)套接字等）之間的連接。我們可以利用它來(lái)讀取和寫入數(shù)據(jù)，就像打開(kāi)了一條自來(lái)水管，讓數(shù)據(jù)在 Channel 中自由流動(dòng)。

BIO 中的流是單向的，分為各種 InputStream（輸入流）和 OutputStream（輸出流），數(shù)據(jù)只是在一個(gè)方向上傳輸。通道與流的不同之處在于通道是雙向的，它可以用于讀、寫或者同時(shí)用于讀寫。

Channel 與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時(shí)候?qū)?Channel 中的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，而寫操作時(shí)將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中

另外，因?yàn)?Channel 是全雙工的，所以它可以比流更好地映射底層操作系統(tǒng)的 API。特別是在 UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程模型中，底層操作系統(tǒng)的通道都是全雙工的，同時(shí)支持讀寫操作。

Channel 的子類如下圖所示。

其中，最常用的是以下幾種類型的通道：

• FileChannel：文件訪問(wèn)通道；
• SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通信通道；
• DatagramChannel：UDP 通信通道；

Channel 最核心的兩個(gè)方法：

1. read ：讀取數(shù)據(jù)并寫入到 Buffer 中。
2. write ：將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中。

這里我們以 FileChannel 為例演示一下是讀取文件數(shù)據(jù)的

RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);

Selector（選擇器）

Selector（選擇器） 是 NIO 中的一個(gè)關(guān)鍵組件，它允許一個(gè)線程處理多個(gè) Channel。Selector 是基于事件驅(qū)動(dòng)的 I/O 多路復(fù)用模型，主要運(yùn)作原理是：通過(guò) Selector 注冊(cè)通道的事件，Selector 會(huì)不斷地輪詢注冊(cè)在其上的 Channel。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，比如：某個(gè) Channel 上面有新的 TCP 連接接入、讀和寫事件，這個(gè) Channel 就處于就緒狀態(tài)，會(huì)被 Selector 輪詢出來(lái)。Selector 會(huì)將相關(guān)的 Channel 加入到就緒集合中。通過(guò) SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合，然后對(duì)這些就緒的 Channel 進(jìn)行響應(yīng)的 I/O 操作。

一個(gè)多路復(fù)用器 Selector 可以同時(shí)輪詢多個(gè) Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 select 實(shí)現(xiàn)，所以它并沒(méi)有最大連接句柄 1024/2048 的限制。這也就意味著只需要一個(gè)線程負(fù)責(zé) Selector 的輪詢，就可以接入成千上萬(wàn)的客戶端。

Selector 可以監(jiān)聽(tīng)以下四種事件類型：

1. SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受連接的事件，這通常用于 ServerSocketChannel。
2. SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成連接的事件，這通常用于 SocketChannel。
3. SelectionKey.OP_READ：表示通道準(zhǔn)備好進(jìn)行讀取的事件，即有數(shù)據(jù)可讀。
4. SelectionKey.OP_WRITE：表示通道準(zhǔn)備好進(jìn)行寫入的事件，即可以寫入數(shù)據(jù)。

Selector是抽象類，可以通過(guò)調(diào)用此類的 open() 靜態(tài)方法來(lái)創(chuàng)建 Selector 實(shí)例。Selector 可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè) SelectableChannel 的 IO 狀況，是非阻塞 IO 的核心。

一個(gè) Selector 實(shí)例有三個(gè) SelectionKey 集合：

1. 所有的 SelectionKey 集合：代表了注冊(cè)在該 Selector 上的 Channel，這個(gè)集合可以通過(guò) keys() 方法返回。
2. 被選擇的 SelectionKey 集合：代表了所有可通過(guò) select() 方法獲取的、需要進(jìn)行 IO 處理的 Channel，這個(gè)集合可以通過(guò) selectedKeys() 返回。
3. 被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注冊(cè)關(guān)系的 Channel，在下一次執(zhí)行 select() 方法時(shí)，這些 Channel 對(duì)應(yīng)的 SelectionKey 會(huì)被徹底刪除，程序通常無(wú)須直接訪問(wèn)該集合，也沒(méi)有暴露訪問(wèn)的方法。

簡(jiǎn)單演示一下如何遍歷被選擇的 SelectionKey 集合并進(jìn)行處理：

NIO 零拷貝

零拷貝是提升 IO 操作性能的一個(gè)常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ、QMQ、Netty 等頂級(jí)開(kāi)源項(xiàng)目都用到了零拷貝。

零拷貝是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行 IO 操作時(shí)，CPU 不需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域復(fù)制到另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，從而可以減少上下文切換以及 CPU 的拷貝時(shí)間。也就是說(shuō)，零拷貝主主要解決操作系統(tǒng)在處理 I/O 操作時(shí)頻繁復(fù)制數(shù)據(jù)的問(wèn)題。零拷貝的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy 。

下圖展示了各種零拷貝技術(shù)的對(duì)比圖：

可以看出，無(wú)論是傳統(tǒng)的 I/O 方式，還是引入了零拷貝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷貝是都少不了的。因?yàn)閮纱?DMA 都是依賴硬件完成的。零拷貝主要是減少了 CPU 拷貝及上下文的切換。

Java 對(duì)零拷貝的支持：文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-823147.html

• MappedByteBuffer 是 NIO 基于內(nèi)存映射（mmap）這種零拷??式的提供的?種實(shí)現(xiàn)，底層實(shí)際是調(diào)用了 Linux 內(nèi)核的 mmap 系統(tǒng)調(diào)用。它可以將一個(gè)文件或者文件的一部分映射到內(nèi)存中，形成一個(gè)虛擬內(nèi)存文件，這樣就可以直接操作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而不需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)讀寫文件。
• FileChannel 的transferTo()/transferFrom()是 NIO 基于發(fā)送文件（sendfile）這種零拷貝方式的提供的一種實(shí)現(xiàn)，底層實(shí)際是調(diào)用了 Linux 內(nèi)核的 sendfile系統(tǒng)調(diào)用。它可以直接將文件數(shù)據(jù)從磁盤發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，而不需要經(jīng)過(guò)用戶空間的緩沖區(qū)

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