本文作者：禹明明脯丝，叩丁狼高級講師。原創(chuàng)文章售睹，轉(zhuǎn)載請注明出處越锈。
NIO概述
NIO是JDK1.4引入的新的IO模型仗嗦，是New I/O的簡稱,現(xiàn)在更多人認(rèn)為應(yīng)該是 Non-blocking(非阻塞) IO的簡稱,NIO提供了比傳統(tǒng)IO更高的性能和更優(yōu)的操作方式
JDK1.4之前我們使用的IO是同步阻塞的，我們可以稱之為BIO（阻塞IO）
JDK1.4Java學(xué)習(xí)了Linux的select模式提供了新的同步非阻塞IO模式NIO（非阻塞IO）
JDK1.7 的NIO2學(xué)習(xí)了Linux的epoll模式才是真正實現(xiàn)了（非阻塞異步IO）,我們稱之為AIO,但是由于AIO用的不多,我們就暫不討論
JAVA的IO模型提供了標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出(操作文件) 和網(wǎng)絡(luò)編程兩套API瞪浸。
但是NIO對于標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出的性能提升并沒有那么明顯（其實IO底層已經(jīng)使用了NIO的技術(shù)重新實現(xiàn)過）儒将，但是對于網(wǎng)絡(luò)編程方面,NIO對性能的提升是非常巨大的，目前非常流行Mina和Netty都是對NIO的一種封裝
NIO標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出API
普通的IO我們都非常熟練了,我們來看一個普通IO和NIO復(fù)制文件的代碼對比
private long testNIO()throws IOException{
File src = new File("D:/src.txt");
File dest = new File("D:/dest.txt");
long startTime = System.currentTimeMillis();
if(!dest.exists())
dest.createNewFile();
RandomAccessFile read =new RandomAccessFile(src,"rw");
RandomAccessFile write =new RandomAccessFile(dest,"rw");
FileChannel readChannel = read.getChannel();
FileChannel writeChannel = write.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024*1024);//1M緩沖區(qū)
while(readChannel.read(byteBuffer) >0) {
byteBuffer.flip();//翻轉(zhuǎn)狀態(tài),從寫模式切換到讀模式(必須!)
writeChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();//重置Buffer位置,相當(dāng)于清空Buffer,但是只是改變位置指向,不真正刪除數(shù)據(jù)
}
writeChannel.close();
readChannel.close();
long endTime = System.currentTimeMillis();
return endTime - startTime;
}
public void testIO(){
File src = new File("D:/src.txt");
File dest = new File("D:/dest.txt");
try (
InputStream in = new FileInputStream(src);
OutputStream out = new FileOutputStream(dest);
) {
byte[] buffer = new byte[1024];
int len = -1;
while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
out.write(buffer, 0, len);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
這部分我們學(xué)習(xí)一下怎么使用就行对蒲，不做過多討論钩蚊。通常當(dāng)我們提到NIO的時候更多關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)通信部分
網(wǎng)絡(luò)編程API
要了解NIO我們需要對比一下傳統(tǒng) BIO 網(wǎng)絡(luò)通信模型和 NIO通信模型的區(qū)別
先了解一下NIO的三個核心概念：
- buffer緩沖區(qū)
- Channel管道
- Selector選擇器
緩沖區(qū) Buffer
傳統(tǒng)IO是面向stream的,NIO是面向緩沖區(qū)(Buffer)的
Buffer是一個對象，包含一些要寫入或者讀出的數(shù)據(jù)蹈矮。
在NIO庫中砰逻，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。在讀取數(shù)據(jù)時泛鸟，它是直接讀到緩沖區(qū)中的.在寫入數(shù)據(jù)時也是寫入到緩沖區(qū)中蝠咆。任何時候訪問NIO中的數(shù)據(jù)，都是通過緩沖區(qū)進(jìn)行操作北滥。
具體的緩存區(qū)有這些：ByteBuffe刚操、CharBuffer、 ShortBuffer再芋、IntBuffer菊霜、LongBuffer、FloatBuffer济赎、DoubleBuffer鉴逞。最常用的就是ByteBuffer, 他們實現(xiàn)了相同的接口：Buffer记某。
Buffer中比較重要的4個屬性:position、limit构捡、capacity液南、mark. 在使用 Buffer 時，我們實際操作的就是這四個屬性的值.
具體介紹下4個屬性：
- capacity（容量）：一個buffer能夠容納數(shù)據(jù)元素的最大數(shù)量勾徽，capacity不會為負(fù)數(shù)滑凉，且永遠(yuǎn)不能被改變.
假設(shè)：IntBuffer.allocate(1024), 分配了大小為1024的元素個數(shù)，則capacity就等于1024. - limit（上界）：一個buffer的limit指的是第一個不能在讀也不能在寫的元素索引. limit不會為負(fù)數(shù)捂蕴，并且一定是小于capacity的.
假設(shè)：IntBuffer.allocate(1024), 我們在程序中設(shè)置limit=512譬涡，說明Buffer的容量是1024，但是從512之后既不能讀也不能寫了啥辨，進(jìn)一步說明該Buffer的實際可用大小是512. - position（位置）：一個buffer的position指的是下一個將要讀或者寫的元素的索引.position不會為負(fù)數(shù)，并且一定是小于limit的. position的位置主要由get()和put()方法的調(diào)用來更新.
- mark（標(biāo)記）：一個備忘地址盯腌，作為臨時標(biāo)記位置使用溉知，標(biāo)記在設(shè)定前是未定義的.
mark的使用場景：
假設(shè)IntBuffer.allocate(1024)，現(xiàn)在position位置為10腕够，現(xiàn)在只想發(fā)送512到1024之間的緩沖數(shù)據(jù)级乍，此時我們可以buffer.mark(buffer.position())既將position記入mark位置，然后buffer.postion(512)帚湘，此時發(fā)送的數(shù)據(jù)就是512到1024之間的數(shù)據(jù)玫荣。發(fā)送完成后，調(diào)用buffer.reset()將mark臨時標(biāo)記賦值給position使得position=mark大诸。注意如果未設(shè)定mark捅厂，而調(diào)用了buffer.reset()方法則會拋出InvalidMarkException.
不變式:
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
通道 Channel
我們對數(shù)據(jù)的讀取和寫入要通過Channel，它就像水管一樣资柔，是一個通道焙贷。通道不同于流的地方就是通道是雙向的，可以用于讀贿堰、寫和同時讀寫操作辙芍。
底層的操作系統(tǒng)的通道一般都是全雙工的，所以全雙工的Channel比流能更好的映射底層操作系統(tǒng)的API羹与。
Channel主要分兩大類：
- SelectableChannel：用戶網(wǎng)絡(luò)讀寫
- FileChannel：用于文件操作
多路復(fù)用器 Selector
Selector是Java NIO 編程的基礎(chǔ)故硅。
Selector提供選擇已經(jīng)就緒的任務(wù)的能力：Selector會不斷輪詢注冊在其上的Channel，如果某個Channel上面發(fā)生讀或者寫事件纵搁，這個Channel就處于就緒狀態(tài)吃衅，會被Selector輪詢出來，然后通過SelectionKey可以獲取就緒Channel的集合诡渴，進(jìn)行后續(xù)的I/O操作捐晶。
一個Selector可以同時輪詢多個Channel菲语，因為JDK使用了epoll()代替?zhèn)鹘y(tǒng)的select實現(xiàn)，所以沒有最大連接句柄1024/2048的限制惑灵。所以山上，只需要一個線程負(fù)責(zé)Selector的輪詢，就可以接入成千上萬的客戶端英支。
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下面是普通的BIO通信模型
image.png采用BIO通信模型的服務(wù)端佩憾，通常由一個獨立的Acceptor線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接，它接收到客戶端連接請求之后為每個客戶端創(chuàng)建一個新的線程進(jìn)行鏈路處理干花，處理完成之后妄帘，通過輸出流返回應(yīng)答給客戶端，線程銷毀池凄。Blocking-IO是典型的一請求一應(yīng)答的模型抡驼，每一個Socket的處理過程當(dāng)中都是阻塞的。
BIO主要的問題在于每當(dāng)有一個新的客戶端請求接入時肿仑，服務(wù)端必須創(chuàng)建一個新的線程來處理這條鏈路致盟，在需要滿足高性能、高并發(fā)的場景是沒法應(yīng)用的（大量創(chuàng)建新的線程會嚴(yán)重影響服務(wù)器性能尤慰，甚至罷工）馏锡。
再來對比一下NIO的模型
阻塞IO的問題主要體現(xiàn)在三個方面:
- 創(chuàng)建大量線程,浪費內(nèi)存
- 由于是阻塞模式,線程在等待任務(wù)處理完成的時間都是阻塞的,沒有任何意義
- 線程太多,就需要CPU在多個線程之間進(jìn)行切換,浪費大量CPU時間
而NIO的流程并沒有為每一個client都去創(chuàng)建一個線程，而是使用了一個Selector來輪詢已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的key(先簡單理解為一個key對應(yīng)一個Channel)伟端，這樣就可以節(jié)省大量的線程和線程切換的開銷而且不會對性能造成太大影響杯道，尤其在多線程高并發(fā)的時候，NIO的性能也不會像IO一樣出現(xiàn)急劇下降甚至宕機责蝠。
拿一個買票例子來說IO和NIO的區(qū)別就是：
IO就相當(dāng)于每個人(線程)都排幾百米的隊党巾，自己去買票，而賣票(任務(wù)處理)的速度是一定的,排隊期間你(線程)做不了任何事情(阻塞),這樣不但無法提高賣票效率,反而容易造成大量擁堵
NIO就是找黃牛買票玛歌，黃牛買到了打電話通知你昧港，而這個黃牛（Selector）同時在為成千上萬個需要買票的人（Channel）服務(wù),哪個票能買了(就緒),黃牛馬上能夠知道，然后就去找到對應(yīng)的客戶(Chanel)去處理
但是NIO缺點也不是沒有支子，那就是API比較復(fù)雜创肥，學(xué)習(xí)成本較高，不好維護(hù)值朋。所以如果是并發(fā)量不高的簡單服務(wù)最好還是使用傳統(tǒng)IO叹侄，方便維護(hù)。而對于高并發(fā)的系統(tǒng)最好采用NIO昨登，但是一般也不會直接使用NIO的原生API趾代，而是使用NIO框架Mina或者Netty
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