NIO总结

2022-12-05 21:54:55

一 NIO介绍

　　NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

　　NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。

　　NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

　　IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据可以被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

　　NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

二 IO模型分类　

　　对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

　　（1）等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

　　（2）将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

　　对于一个套接字（Socket）上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

　　按照《Unix网络编程》的划分，I/O模型可以分为：阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型和异步I/O模型，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步I/O和异步I/O。　　

　　如何区分呢？首先一个I/O操作其实分成了两个步骤：发起IO请求（即内核准备数据报）和实际的IO操作（即将数据报从内核复制到用户空间）。同步I/O和异步I/O的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的I/O读写阻塞请求进程，那么就是同步I/O，因此阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O复用、信号驱动I/O都是同步I/O，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完I/O操作再将结果返回给你，那么就是异步I/O。

　　阻塞I/O和非阻塞I/O的区别在于第一步，发起I/O请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞I/O，如果不阻塞，那么就是非阻塞I/O。

　　（1）阻塞I/O模型：在linux中，默认情况下所有的socket都是阻塞的，即从发起请求到最终获取到数据报都处于阻塞状态。一个典型的读操作流程大概是这样：

　　在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，所以不消耗 CPU 时间，这种模型的 CPU 利用率效率会比较高。

　　（2）非阻塞I/O模型：linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking，当发起recvfrom系统调用时，如果内核中数据报还没有准备好，则直接返回一个EWOULDBLOCK标志，而不阻塞用户线程。

　　nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有，应用通过轮询调用recvfrom判断数据报是否准备好，如果数据报已经准备好，这时再调用recvfrom系统调用，数据报会从内核复制到用户空间，复制的这段时间会阻塞用户进程。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

　　由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型的 CPU 利用率是比较低的。

　　（3）I/O复用模型：我们可以调用select或poll，阻塞在这两个系统调用中的某一个之上，而不是真正的IO系统调用上，select/poll的好处就在于单个线程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个方法会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，内核会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程。

　　名词解释：

　　1、文件描述符fd

　　Linux的内核将所有外部设备都可以看做一个文件。那么对外部设备的操作都可以看做对文件进行操作。我们对一个文件的读写，都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个filede scriptor（fd,文件描述符）。而对一个socket的读写也会有相应的描述符，称为socketfd(socket描述符）。描述符就是一个数字，指向内核中一个结构体（文件路径，数据区等一些属性）。那么我们的应用程序对文件的读写就通过对描述符的读写完成。

　　2、select

　　select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写或者有except）或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可）函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

　　缺点:

　　1、select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FDSETSIZE设置，32位机默认是1024个，64位机默认是2048。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。

　　2、对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FDSETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。

　　3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

　　3、poll

　　poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

　　它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：

　　　　1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。

　　　　2 、poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

　　注意：从上面看，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

　　4、epoll

　　epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

　　基本原理：epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

　　epoll的优点：

　　　　1、没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。

　　　　2、效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

　　　　3、内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

（4）信号驱动式I/O模型：我们可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们：

（5）异步I/O模型：用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronousread之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，内核会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了：

三传统IO和NIO具体实际用法区别

传统IO：

 public static void method2(){

        InputStream in = null;

        try{

            in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt"));

            byte [] buf = new byte[1024];

            int bytesRead = in.read(buf);

            while(bytesRead != -1)

            {

                for(int i=0;i<bytesRead;i++)

                    System.out.print((char)buf[i]);

                bytesRead = in.read(buf);

            }

        }catch (IOException e)

        {

            e.printStackTrace();

        }finally{

            try{

                if(in != null){

                    in.close();

                }

            }catch (IOException e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

NIO：

public static void method1(){

        RandomAccessFile aFile = null;

        try{

            aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw");

            FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();//获取通道

            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//创建Buffer并分配空间

            int bytesRead = fileChannel.read(buf);//从通道中读取数据到Buffer中

            System.out.println(bytesRead);

            while(bytesRead != -1)

            {

                buf.flip();//切换为读模式

                while(buf.hasRemaining())

                {

                    System.out.print((char)buf.get());//从Buffer中读取数据

                }

                buf.compact();//清空已读的数据，未读的数据会整理到Buffer头部

                bytesRead = fileChannel.read(buf);

            }

        }catch (IOException e){

            e.printStackTrace();

        }finally{

            try{

                if(aFile != null){

                    aFile.close();

                }

            }catch (IOException e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

四 Buffer

　　Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO库里，所有数据都是用缓冲区处理的，在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的，在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过Buffer缓冲区进行操作。

　　Buffer实际上是一个数组。Buffer关注的是存放什么类型的数据，只支持基本数据类型，而且不支持基本类型的boolean类型。所以基础的Buffer，就是7种，对应Java的7个基础类型：

　　1、从上面的示例中可以总结出使用Buffer一般遵循下面几个步骤：

　　　　（1）分配空间（ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 还有一种allocateDirector后面再陈述）

　　　　（2）写入数据到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)

　　　　（3）调用filp()方法（ buf.flip();）

　　　　（4）从Buffer中读取数据（System.out.print((char)buf.get());）

　　　　（5）调用clear()方法或者compact()方法

　　2、Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图：

　　向Buffer中写数据：

　　　　（1）从Channel写到Buffer (fileChannel.read(buf))

　　　　（2）通过Buffer的put()方法（buf.put(…)）

　　从Buffer中读取数据：

　　　　（1）从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))

　　　　（2）使用get()方法从Buffer中读取数据（buf.get()）

　　可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：capacity，position，limit，mark。其中capacity在读写模式下都是固定的，就是分配的缓冲大小，position类似于读写指针，表示当前读(写)到什么位置，limit在写模式下表示最多能写入多少数据，此时和capacity相同，在读模式下表示最多能读多少数据，此时和缓存中的实际数据大小相同：

索引	说明
capacity	缓冲区数组的总长度
position	下一个要操作的数据元素的位置
limit	缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置：limit<=capacity
mark	用于记录当前position的前一个位置或者默认是-1

　　我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个11个byte的数组的缓冲区，初始状态图，position的位置为0，capacity和limit默认都是数组长度。　　

　　当写入5个字节时，变化如下图：

　　当需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道，所以我们调用ByteBuffer.flip()方法，即调用flip方法后的变化如下图所示（position设回0，并将limit设成之前的position的值）：

　　这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前再调用clear()方法，缓冲区的索引位置又回到了初始位置。

　　在写模式下调用flip()方法，buffer从写模式切换到读模式，limit会设置为position当前的值(即当前写了多少数据)，postion会被置为0，以表示读操作从缓存的头开始读。也就是说调用flip之后，读写指针指到缓存头部，并且设置了最多只能读出之前写入的数据长度(而不是整个缓存的容量大小)。

　　注意：buffer.flip();一定得有，如果没有，就是从文件最后开始读取的，当然读出来的都是byte=0时候的字符。通过buffer.flip();这个语句，就能把buffer的当前位置更改为buffer缓冲区的第一个位置。

　　调用clear()方法：position将被设回0，limit设置成capacity，换句话说，Buffer被清空了，其实Buffer中的数据并未被清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先写些数据，那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

　　通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。

五 Channel

　　Channel是一个通道，网络数据通过Channel读取和写入。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream。而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

　　NIO中的Channel的主要实现有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

　　分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

　　Channel 必须要配合 Buffer 一起使用，我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中，同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中，如下：

　　上面的示例代码是FileChannel的使用方式。

　　这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。在传统的Socket IO中，对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞；对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞，直到连接的另一端传来新的数据。总的来说，创建/接收连接或读写数据等I/O调用，都可能无限期地阻塞等待，直到底层的网络实现发生了什么。慢速的，有损耗的网络，或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是，在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。

　　NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，以实现非阻塞式的信道。

　　channel.configureBlocking(false)

　　在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如，在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法，如果有连接请求来了，则返回客户端SocketChannel，否则返回null。

　　这里先举一个TCP应用案例，客户端采用NIO实现，而服务端依旧使用BIO实现。

　　客户端代码（案例3）：

　　public static void client(){

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//创建Buffer并分配空间

        SocketChannel socketChannel = null;

        try{

            socketChannel = SocketChannel.open();//获取客户端SocketChannel

            socketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞

            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));//连接服务端地址

            if(socketChannel.finishConnect())//如果完成了连接

            {

                int i=0;

                while(true)

                {

                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

                    String info = "I'm "+i+++"-th information from client";

                    buffer.clear();

                    buffer.put(info.getBytes());//写入数据到Buffer

                    buffer.flip();//切换为读模式

                    while(buffer.hasRemaining()){//如果buffer没有读完

                        System.out.println(buffer);

                        socketChannel.write(buffer);//写入数据到通道

                    }

                }

            }

        } catch (IOException | InterruptedException e){

            e.printStackTrace();

        } finally{

            try{

                if(socketChannel!=null){

                    socketChannel.close();

                }

            }catch(IOException e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

　　服务端代码（案例4）：

　　public static void server(){

        ServerSocket serverSocket = null;

        InputStream in = null;

        try {

            serverSocket = new ServerSocket(8080);//创建传统的阻塞模式服务端Socket

            int recvMsgSize = 0;

            byte[] recvBuf = new byte[1024];

            while(true){

                Socket clntSocket = serverSocket.accept();//打开接受客户端连接，如果没有客户端连接，则阻塞在这个方法上

                SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();//获取客户端地址

                System.out.println("Handling client at "+clientAddress);

                in = clntSocket.getInputStream();//获取客户端输入，阻塞IO模式

                while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){//如果还没有读完

                    byte[] temp = new byte[recvMsgSize];

                    System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);

                    System.out.println(new String(temp));

                }

            }

        } catch (IOException e){

            e.printStackTrace();

        } finally{

            try{

                if(serverSocket!=null){

                    serverSocket.close();

                }

                if(in!=null){

                    in.close();

                }

            }catch(IOException e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

　　根据上面的案例，总结一下SocketChannel的用法。

　　（1）打开SocketChannel：

　　socketChannel = SocketChannel.open();

　　socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

　　发送数据到Server：

　　String info = "I'm "+i+++"-th information from client";

　　buffer.clear();

　　buffer.put(info.getBytes());//写入数据到Buffer中

　　buffer.flip();

　　while(buffer.hasRemaining()){

　　　　System.out.println(buffer);

　　　　socketChannel.write(buffer);//从Buffer写数据到channel中，并发送到Server端

　　}

　　注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

　　非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。　　

　　关闭：

　　socketChannel.close();

五、Selector

　　Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel，

然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

　　如果用传统的方式来处理这么多客户端，使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作，如果当前客户端有I/O操作，则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理，如果没有

I/O操作则进行下一个轮询，当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询；这种方法是非常笨而且也非常浪费资源，因为大部分客户端是没有I/O操作，我们也要去检查；

　　一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。选择器就是一个多路开关选择器，因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。它在内部可以同时管理多个I/O，当一个信道有I/O操作的时候，他会通知Selector，Selector就是记住这个信道有I/O操作，并且知道是何种I/O操作，是读呢？是写呢？还是接受新的连接；所以如果使用Selector，它返回的结果只有两种结果，一种是0，即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作，另一种结果是一组需要I/O操作的客户端，这时你就根本不需要再检查了，因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多！

　　要使用选择器（Selector），需要创建一个Selector实例（使用静态工厂方法open()）并将其注册（register）到想要监控的信道上（注意，这要通过channel的方法实现，而不是使用selector的方法）。最后，调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待，直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在，在一个单独的线程中，通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好，select()方法就会返回0，并允许程序继续执行其他任务。

　　下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式（案例5）：

public class ServerConnect{

    private static final int BUF_SIZE=1024;

    private static final int PORT = 8080;

    private static final int TIMEOUT = 3000;

    public static void main(String[] args){

        selector();

    }

    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{

        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();//获取服务端通道

        SocketChannel sc = ssChannel.accept();//开启接收客户端连接

        sc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞

        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));//把通道注册到Selector上，并且接收的事件的读事件

    }

    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{

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

        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();

        long bytesRead = sc.read(buf);

        while(bytesRead>0){

            buf.flip();

            while(buf.hasRemaining()){

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

            }

            System.out.println();

            buf.clear();

            bytesRead = sc.read(buf);

        }

        if(bytesRead == -1){

            sc.close();

        }

    }

    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{

        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();

        buf.flip();

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

        while(buf.hasRemaining()){

            sc.write(buf);

        }

        buf.compact();

    }

    public static void selector() {

        Selector selector = null;

        ServerSocketChannel ssc = null;

        try{

            selector = Selector.open();//获取Selector

            ssc= ServerSocketChannel.open();//开启服务端通道

            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));//绑定监听端口

            ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞

            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//注册到Selector上

            while(true){

                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){//如果没有客户端连接

                    System.out.println("==");

                    continue;

                }

                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();//

                while(iter.hasNext()){

                    SelectionKey key = iter.next();

                    if(key.isAcceptable()){

                        handleAccept(key);

                    }

                    if(key.isReadable()){

                        handleRead(key);

                    }

                    if(key.isWritable() && key.isValid()){

                        handleWrite(key);

                    }

                    if(key.isConnectable()){

                        System.out.println("isConnectable = true");

                    }

                    iter.remove();

                }

            }

        }catch(IOException e){

            e.printStackTrace();

        }finally{

            try{

                if(selector!=null){

                    selector.close();

                }

                if(ssc!=null){

                    ssc.close();

                }

            }catch(IOException e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

}

　　与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。一个通道可以被注册到多个选择器上，而对于同一个选择器则只能被注册一次。如果内核版本>=2.6则底层使用Linux操作系统的Epoll实现，否则使用poll实现。

　　　　1. Connect　　--- 连接事件

　　　　2. Accept　　 --- 接收事件

　　　　3. Read　　　 --- 读事件

　　　　4. Write　　 --- 写事件

　　通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

　　这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

　　　　1. SelectionKey.OP_CONNECT

　　　　2. SelectionKey.OP_ACCEPT

　　　　3. SelectionKey.OP_READ

　　　　4. SelectionKey.OP_WRITE

　　SelectionKey

　　当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

　　　　（1）interest集合　　

　　　　（2）ready集合

　　　　（3）Channel

　　　　（4）Selector

　　　　（5）附加的对象（可选）

　　interest集合：就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

　　ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。可以这样访问ready集合：

　　int readySet = selectionKey.readyOps();

　　可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

　　selectionKey.isAcceptable();

　　selectionKey.isConnectable();

　　selectionKey.isReadable();

　　selectionKey.isWritable();

　　从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

　　Channel  channel  = selectionKey.channel();

　　Selector selector = selectionKey.selector();

　　可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

　　selectionKey.attach(theObject);

　　Object attachedObj = selectionKey.attachment();

　　还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

　　SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

　　通过Selector选择通道

　　一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

　　下面是select()方法：

　　　　int select()

　　　　int select(long timeout)

　　　　int selectNow()

　　select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

　　select(long timeout)和select()一样，最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

　　selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

　　select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪，即自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

　　一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：　

　　Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

　　当向Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。

　　注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

　　SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

　　一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

六浅谈零拷贝

1 引言

　　传统的 Linux 操作系统的标准 I/O 接口是基于数据拷贝操作的，即 I/O 操作会导致数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和应用程序地址空间定义的缓冲区之间进行传输。这样做最大的好处是可以减少磁盘 I/O 的操作，因为如果所请求的数据已经存放在操作系统的高速缓冲存储器中，那么就不需要再进行实际的物理磁盘 I/O 操作。但是数据传输过程中的数据拷贝操作却导致了极大的 CPU 开销，限制了操作系统有效进行数据传输操作的能力。

　　零拷贝（ zero-copy ）技术可以有效地改善数据传输的性能，在内核驱动程序（比如网络堆栈或者磁盘存储驱动程序）处理 I/O 数据的时候，零拷贝技术可以在某种程度上减少甚至完全避免不必要 CPU 数据拷贝操作。

　　零拷贝就是一种避免 CPU 将数据从一块存储拷贝到另外一块存储的技术。针对操作系统中的设备驱动程序、文件系统以及网络协议堆栈而出现的各种零拷贝技术极大地提升了特定应用程序的性能，并且使得这些应用程序可以更加有效地利用系统资源。这种性能的提升就是通过在数据拷贝进行的同时，允许 CPU 执行其他的任务来实现的。

　　零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率。而且，零拷贝技术减少了用户应用程序地址空间和操作系统内核地址空间之间因为上下文切换而带来的开销。进行大量的数据拷贝操作其实是一件简单的任务，从操作系统的角度来说，如果 CPU 一直被占用着去执行这项简单的任务，那么这将会是很浪费资源的；如果有其他比较简单的系统部件可以代劳这件事情，从而使得 CPU 解脱出来可以做别的事情，那么系统资源的利用则会更加有效。

　　综上所述，零拷贝技术的目标可以概括如下：

　　1. 避免数据拷贝

　　（1）避免操作系统内核缓冲区之间进行数据拷贝操作。

　　（2）避免操作系统内核和用户应用程序地址空间这两者之间进行数据拷贝操作。

　　（3）用户应用程序可以避开操作系统直接访问硬件存储。

　　（4）数据传输尽量让 DMA 来做。

　　2. 将多种操作结合在一起

　　（1）避免不必要的系统调用和上下文切换。

　　（2）需要拷贝的数据可以先被缓存起来。

　　（3）对数据进行处理尽量让硬件来做。

2 零拷贝原理

1 IO读写方式

（1）中断　　

　　中断方式的流程图如下

　　1. 用户进程发起数据读取请求

　　2. 系统调度为该进程分配cpu

　　3. cpu向io控制器(ide,scsi)发送io请求

　　4. 用户进程等待io完成，让出cpu

　　5. 系统调度cpu执行其他任务

　　6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器

　　7. 缓冲寄存器满了向cpu发出中断信号

　　8. cpu读取数据至内存

　　缺点：中断次数取决于缓冲寄存器的大小

（2） DMA ：直接内存存取

　　DMA方式的流程图如下：

　　1. 用户进程发起数据读取请求

　　2. 系统调度为该进程分配cpu

　　3. cpu向DMA发送io请求

　　4. 用户进程等待io完成，让出cpu

　　5. 系统调度cpu执行其他任务

　　6. 数据写入至io控制器的缓冲寄存器

　　7. DMA不断获取缓冲寄存器中的数据（需要cpu时钟）

　　8. 传输至内存（需要cpu时钟）

　　9. 所需的全部数据获取完毕后向cpu发出中断信号

　　优点：减少cpu中断次数，不用cpu拷贝数据

2 数据拷贝

传统IO

　　下面展示了传统方式读取数据后并通过网络发送所发生的数据拷贝：

　　1. 一个read系统调用后，DMA执行了一次数据拷贝，从磁盘到内核空间

　　2. read结束后，发生第二次数据拷贝，由cpu将数据从内核空间拷贝至用户空间

　　3. send系统调用，cpu发生第三次数据拷贝，由cpu将数据从用户空间拷贝至内核空间(socket缓冲区)

　　4. send系统调用结束后，DMA执行第四次数据拷贝，将数据从内核拷贝至协议引擎

　　5. 另外，这四个过程中，每个过程都发生一次上下文切换

以上过程总结如下：

　　1. 数据需要从磁盘拷贝到内核空间，再从内核空间拷到用户空间（JVM）。

　　2. 程序可能进行数据修改等操作

　　3. 再将数据拷贝到内核空间，内核空间再拷贝到网卡内存，通过网络发送出去（或拷贝到磁盘）

　　磁盘到内核空间属于DMA拷贝（DMA即直接内存存取，原理是外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据）。而内核空间到用户空间则需要CPU的参与进行拷贝，既然需要CPU参与，也就涉及到了内核态和用户态的相互切换。

NIO的零拷贝

　　零拷贝的数据拷贝如下图：

　　改进的地方：

　　　　我们已经将上下文切换次数从4次减少到了2次；

　　　　将数据拷贝次数从4次减少到了3次（其中只有1次涉及了CPU，另外2次是DMA直接存取）。

　　但这还没有达到我们零拷贝的目标。如果底层NIC（网络接口卡）支持gather操作，我们能进一步减少内核中的数据拷贝。在Linux 2.4以及更高版本的内核中，socket缓冲区描述符已被修改用来适应这个需求。这种方式不但减少多次的上下文切换，同时消除了需要CPU参与的重复的数据拷贝。用户这边的使用方式不变，而内部已经有了质的改变：

　　NIO的零拷贝由transferTo()方法实现。transferTo()方法将数据从FileChannel对象传送到可写的字节通道（如Socket Channel等）。在内部实现中，由native方法transferTo0()来实现，它依赖底层操作系统的支持。在UNIX和Linux系统中，调用这个方法将会引起sendfile()系统调用。

使用场景一般是：

文件较大，读写较慢，追求速度

JVM内存不足，不能加载太大数据

内存带宽不够，即存在其他程序或线程存在大量的IO操作，导致带宽本来就小

　　以上都建立在不需要进行数据文件操作的情况下，如果既需要这样的速度，也需要进行数据操作怎么办？
　　那么使用NIO的直接内存！

NIO的直接内存

　　首先，它的作用位置处于传统IO（BIO）与零拷贝之间，为何这么说？

　　传统IO，可以把磁盘的文件经过内核空间，读到JVM空间，然后进行各种操作，最后再写到磁盘或是发送到网络，效率较慢但支持数据文件操作。

　　零拷贝则是直接在内核空间完成文件读取并转到磁盘（或发送到网络）。由于它没有读取文件数据到JVM这一环，因此程序无法操作该文件数据，尽管效率很高！

　　而直接内存则介于两者之间，效率一般且可操作文件数据。

　　直接内存（mmap技术）将文件直接映射到内核空间的内存，返回一个操作地址（address），它解决了文件数据需要拷贝到JVM才能进行操作的窘境。而是直接在内核空间直接进行操作，省去了内核空间拷贝到用户空间这一步操作。

　　NIO的直接内存是由MappedByteBuffer实现的。核心即是map()方法，该方法把文件映射到内存中，获得内存地址addr，然后通过这个addr构造MappedByteBuffer类，以暴露各种文件操作API。

　　由于MappedByteBuffer申请的是堆外内存，因此不受Minor GC控制，只能在发生Full GC时才能被回收。而DirectByteBuffer改善了这一情况，它是MappedByteBuffer类的子类，同时它实现了DirectBuffer接口，维护一个Cleaner对象来完成内存回收。因此它既可以通过Full GC来回收内存，也可以调用clean()方法来进行回收。

　　另外，直接内存的大小可通过jvm参数来设置：-XX:MaxDirectMemorySize。

　　NIO的MappedByteBuffer还有一个兄弟叫做HeapByteBuffer。顾名思义，它用来在堆中申请内存，本质是一个数组。由于它位于堆中，因此可受GC管控，易于回收。

参考：

1、Java NIO？看这一篇就够了！　　https://mp.weixin.qq.com/s/c9tkrokcDQR375kiwCeV9w?

2、NIO相关基础篇　　https://mp.weixin.qq.com/s/ln5YR__A0RPpvqTVbj3o-g

3、IO多路复用之select、poll、epoll详解　　https://www.cnblogs.com/jeakeven/p/5435916.html

4、select、poll、epoll之间的区别总结[整理]　　https://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html　　https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html

5、NIO技术概览　　http://www.ideabuffer.cn/2017/08/13/NIO%E6%8A%80%E6%9C%AF%E6%A6%82%E8%A7%88/

6、浅谈NIO与零拷贝 https://blog.csdn.net/localhost01/article/details/83422888

码农公寓

一 NIO介绍

二 IO模型分类

三 传统IO和NIO具体实际用法区别

四 Buffer

五 Channel

六 浅谈零拷贝

1 引言

2 零拷贝原理

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二 IO模型分类　

三传统IO和NIO具体实际用法区别

六浅谈零拷贝