在2018年十月份的十多次面試中晓猛，幾乎每一場面試都會nio，可見nio的重要性凡辱。每當面試官問到nio的時候戒职，我都會從操作系統(tǒng)層面的IO多路復用說起，只要說的明白透乾，一般這一關(guān)就算過了洪燥。

首先要搞清楚nio中n的含義。如果告訴別人n的意思是new续徽，那就給人留下很不好的印象了蚓曼，這里的n一般是被理解為non-blocking亲澡。傳統(tǒng)的InputStream/OutputStream體系的讀寫操作都是阻塞的钦扭，為什么它們是阻塞的？這是因為當調(diào)用讀寫操作時床绪，上層應用程序并不知道底層的socket緩沖區(qū)是否是就緒的客情，如果正好是就緒的，那么不會阻塞癞己；如果不是就緒的膀斋，就會阻塞直到socket緩沖區(qū)就緒。一般情況下痹雅，socket寫緩沖區(qū)大部分時間是就緒的仰担，而讀緩沖區(qū)由于沒有數(shù)據(jù)到來而處于等待狀態(tài)。

所以绩社，阻塞和非阻塞的區(qū)別在于摔蓝，阻塞IO在進行IO操作時可能需要阻塞等待，而非阻塞IO在進行IO操作時不需要等待愉耙。因為后者在進行IO操作時通過一定的機制得知底層socket已經(jīng)準備就緒了贮尉，至于機制，別急朴沿，各位看官往下接著看猜谚。

這里談到了阻塞非阻塞的概念，在IO中還有一個容易混淆的概念是同步和異步赌渣。上面說了傳統(tǒng)InputStream/OutputStream體系是阻塞的魏铅，而nio是非阻塞的。注意這里并沒有說nio是異步的坚芜，因為它本身就不支持異步览芳。nio還需要再經(jīng)過一層封裝才能實現(xiàn)異步的功能，java中netty货岭、nima都是封裝nio實現(xiàn)異步的框架路操。

那么什么是異步疾渴，或者說同步和異步有什么區(qū)別呢？同步是指A對B發(fā)生調(diào)用時屯仗，直到B完成了操作才返回結(jié)果給A搞坝；而異步是指A對B發(fā)生調(diào)用時，B會馬上返回一個狀態(tài)給A魁袜，當B操作完成時桩撮，通過某種方式來通知A。寫過前端js代碼的同學肯定能對異步有比較好的理解峰弹，在前端js代碼中經(jīng)常會設(shè)置異步回調(diào)函數(shù)店量。這里的異步回調(diào)函數(shù)就是當前面的操作完成時能夠得到通知，進而做后續(xù)的處理鞠呈。所以融师，說到異步，總是離不開另一個詞匯：回調(diào)蚁吝。

言歸正傳旱爆，說回nio。nio中窘茁，面向開發(fā)人員的組件主要有三個：ByteBuffer怀伦、Channel、Selector山林。ok房待，先上一段nio的demo代碼。

server端：

public class NioServerTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3000));
        while (true) {
            int num = selector.select();
            if (num > 0) {
                Set<SelectionKey> set = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = set.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey sk = it.next();
                    if (sk.isAcceptable()) {
                        System.out.println("sk.isAcceptable()");

                        SocketChannel sc = serverSocketChannel.accept();
                        sc.configureBlocking(false);
                        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (sk.isReadable()) {
                        System.out.println("sk.isReadable()");

                        SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(3);
                        sc.read(byteBuffer);
                        String s = new String(byteBuffer.array()).trim();
                        System.out.println(s);
                        sc.write(ByteBuffer.wrap(s.getBytes()));
                    } else if (sk.isWritable()) {
                        System.out.println("sk.isWritable()");

                    } else if (sk.isConnectable()) {
                        System.out.println("sk.isConnectable()");
                    }
                    it.remove();
                }
            }
        }
    }
}

client端：

public class NioClientTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Selector selector = Selector.open();
        SocketChannel sc = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3000));
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_CONNECT);
        while (true) {
            int num = selector.select();
            if (num > 0) {
                Set<SelectionKey> set = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = set.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey sk = it.next();
                    if (sk.isAcceptable()) {
                        System.out.println("sk.isAcceptable()");

                    } else if (sk.isReadable()) {
                        System.out.println("sk.isReadable()");

                        SocketChannel sc2 = (SocketChannel) sk.channel();
                        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(256);
                        sc2.read(bb);
                        System.out.println(new String(bb.array()).trim());
                    } else if (sk.isWritable()) {
                        System.out.println("sk.isWritable()");
                    } else if (sk.isConnectable()) {
                        System.out.println("sk.isConnectable()");
                    }
                    it.remove();
                }
            }
            sc.write(ByteBuffer.wrap(("hello world" + (int)(Math.random()*1000)).getBytes()));
            Thread.sleep(1000L);
        }
    }
}

下面驼抹，我們來詳細分析nio的ByteBuffer桑孩、Channel、Selector三個組件砂蔽。

ByteBuffer

ByteBuffer可以理解為操作一段內(nèi)存的工具類洼怔。Channel的數(shù)據(jù)讀寫都是通過ByteBuffer，而不像傳統(tǒng)IO那樣直接操作流左驾。這也是nio和bio很重要的一個不同點镣隶，nio的讀寫是面向緩沖的，bio的讀寫則是面向流的诡右。

其內(nèi)部維護了一個字節(jié)數(shù)組和3個位置相關(guān)的變量：

final byte[] hb;
private int position =0;
private int limit;
private int capacity;

其使用步驟：調(diào)用put()寫入數(shù)據(jù)安岂，當需要讀數(shù)據(jù)時，先flip()切換為讀模式帆吻，然后就可以get()了域那。從position到limit表示數(shù)組中可以操作(讀/寫)的部分，當limit達到capacity時，就不能讀/寫了次员。如：初始狀態(tài)limit==capacity败许，當put()時，position不斷增加淑蔚，直到limit市殷。當flip()時，position變?yōu)?刹衫，limit變?yōu)橹皃osition的位置醋寝，就變成讀模式了，從position的位置開始讀带迟。ByteBuffer還提供了mark/reset來實現(xiàn)做標記音羞，以便重復讀。

ByteBuffer有多個實現(xiàn)類仓犬，用來實現(xiàn)便捷地操作不同基本類型的數(shù)據(jù)嗅绰。另外，ByteBuffer根據(jù)操作的內(nèi)存不同婶肩，可分為HeapByteBuffer和DirectByteBuffer办陷。前者是在jvm的堆中分配一個數(shù)組，后者則是通過Unsafe.allocateMemory()來申請一塊堆外內(nèi)存律歼，并保存內(nèi)存地址，所有的操作都是通過計算內(nèi)存地址然后做讀寫操作啡专。ByteBuffer提供了便捷方法：wrap()险毁、array()，前者是將字符串封裝成ByteBuffer们童，后者是講ByteBuffer導成字符串畔况。后面會單獨寫文章詳細介紹堆外內(nèi)存的相關(guān)知識。

Channel

nio中Channel可以理解為是對Socket的封裝慧库，read跷跪、write、connect齐板、bind都是非阻塞的吵瞻，能夠?qū)崿F(xiàn)非阻塞主要是依賴不同操作系統(tǒng)支持的IO多路復用技術(shù)，如window下的IOCP甘磨、Linux下的Epoll橡羞、Mac下的KQueue。針對不同的操作系統(tǒng)济舆，jvm做了不同的封裝卿泽，在Mac下KQueue的操作是封裝為KQueueSelectorImpl以及KQueueArrayWrapper。

Channel的實現(xiàn)類有四個：FileChannel滋觉、SocketChannel签夭、ServerSocketChannel齐邦、DatagramChannel。在nio編程中常用的是SocketChannel第租、ServerSocketChannel侄旬，下面簡單說下這兩個。

SocketChannel負責客戶端連接的讀寫煌妈。其讀寫操作都是通過ByteBuffer儡羔，寫的時候先將數(shù)據(jù)寫到ByteBuffer，再由ByteBuffer傳遞給內(nèi)核璧诵，內(nèi)核傳遞給網(wǎng)卡汰蜘，最終由網(wǎng)卡發(fā)送出去。讀則是先將socket緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)核放到ByteBuffer中之宿，再由SocketChannel從ByteBuffer中讀到數(shù)據(jù)族操。當Selector監(jiān)聽到讀就緒時調(diào)用read，讀已經(jīng)是就緒的比被，可以一次讀完并返回色难，如果沒有讀完會繼續(xù)觸發(fā)讀就緒事件；寫操作道理類似等缀。

ServerSocketChannel負責服務(wù)端監(jiān)聽端口枷莉、接收客戶端連接。它可以理解為封裝了ServerSocket尺迂，它沒有讀寫方法笤妙，只有bind()、accept()方法噪裕。bind()是封裝了socket的bind蹲盘、listen操作，bind做的事情是將socket和地址/端口綁定膳音，listen的作用是監(jiān)聽端口召衔，并提供參數(shù)設(shè)置全連接隊列大小，默認50祭陷，全連接隊列和三次握手的知識有關(guān)苍凛，有興趣的可以自己去查查資料；accept()是去讀全連接隊列颗胡，如果沒有socket連接到來就會阻塞毫深，如果有則返回第一個。nio中通常使用Selector去監(jiān)聽是否有客戶端連接到來毒姨，如果有連接就緒事件哑蔫，應用程序就可以去accept()，這樣就避免了accept時的阻塞。

SocketChannel和ServerSocketChannel都提供了open()來快速創(chuàng)建其實現(xiàn)類的實例闸迷。

Selector

Selector能夠監(jiān)聽多個Channel的多種IO事件嵌纲。只要將channel注冊到Selector上，那么當channel有IO就緒事件到來時腥沽，Selector.select()就會返回就緒Channel的數(shù)量逮走，接下來就可以通過selectedKey()拿到所有就緒的Channel，進而處理Channel今阳。IO就緒事件分為4類：讀就緒(OP_READ)师溅、寫就緒(OP_WRITE)、連接就緒(OP_CONNECT)盾舌、接收就緒(OP_ACCEPT)墓臭。

在mac os上，是用KQueueSelectorImpl作為Selector的實現(xiàn)類妖谴，它利用操作系統(tǒng)提供的KQueue模型窿锉，Selector.select()最終其實是調(diào)用KQueueArrayWrapper的poll()，后者返回就緒數(shù)量膝舅，并且會把就緒事件對應的socket的文件描述符放到一個指定的隊列中嗡载，調(diào)用getDiscriptor(int i)可以得到隊列中的某個元素，然后再根據(jù)返回的FD去找到對應的Channel（對應關(guān)系在Selector中維護）仍稀。

Selector重要的方法：wakeup洼滚、select、register

• wakeup()：是通過操作系統(tǒng)的管道實現(xiàn)的琳轿。當創(chuàng)建一個Selector時判沟，會同時創(chuàng)建一個管道，管道分為兩頭崭篡，一頭是讀的，一頭是寫的吧秕，將讀的這頭的socket信息注冊到Selector中琉闪，當需要wakeup時，就往寫的那頭隨便寫一個字節(jié)就好了砸彬。
• register()：颠毙，新建一個SelectionKeyImpl，然后向KQueueArrayWrapper的updateList添加一個元素砂碉，其中封裝了channel和interestOps蛀蜜，當selector.select()時會一一取出updatelist中的Update，注冊到kqueue事件增蹭，然后調(diào)用kevent0()去監(jiān)聽是否有就緒事件滴某。
• select()：，會去調(diào)用KQueueArrayWrapper的poll()，其中會將updateList中的Update一一注冊kqueue事件霎奢，然后去調(diào)用kevent0()阻塞監(jiān)聽就緒事件户誓。

要理解Selector的工作原理，光看代碼是不夠的幕侠，因為其中相關(guān)的類涉及到很多的本地方法調(diào)用帝美，而大部分的人沒有勇氣也沒有能力或者說精力去看JVM源碼。要理解Selector的工作原理晤硕，其核心是要理解上面提到的IO多路復用模型悼潭。當明白了IO多路復用是怎么回事之后，猜也能猜到Selector的工作原理了舞箍。關(guān)于IO多路復用舰褪，網(wǎng)上有很多的資料，下面我們簡單說下创译。

以Linux下的epoll為例抵知，我們說說IO多路復用。
epoll模型中软族，有三個核心的系統(tǒng)調(diào)用：epoll_create刷喜、epoll_ctrl、epoll_wait

• epoll_create：系統(tǒng)啟動時分配內(nèi)存立砸，構(gòu)造一棵紅黑樹掖疮。
• epoll_ctrl：將一個socket信息和感興趣的事件注冊到紅黑樹中，并綁定一個回調(diào)函數(shù)颗祝，當內(nèi)核收到該socket的相關(guān)IO事件就緒時浊闪，將socket信息寫到一個列表中。
• epoll_wait：讀上面說到的那個列表

以上關(guān)于IO多路復用模型的描述忽略了很多東西螺戳，因為它不是本文要說的重點搁宾，而是結(jié)合nio說說nio如何通過IO多路復用模型來實現(xiàn)非阻塞的io調(diào)用。當調(diào)用register()時倔幼，其實就是將socket信息和感興趣的事件注冊到內(nèi)核盖腿；selector.select()時阻塞去讀上面說的那個列表，當列表有數(shù)據(jù)時损同，將讀到的socket信息保存起來翩腐；read、write膏燃、accept都是selector.select()之后才會去執(zhí)行的操作茂卦，因為此時socket緩存已經(jīng)處于就緒狀態(tài)了，自然不會阻塞了组哩。