Java网络编程-NIO

网络编程实际上是进程间的通信。

1.IO

计算机处理数据的基本单位是字节。如果我们想要表示一个字符，比如char类型的，就需要使用2个字节表示，或者汉字，在utf8编码中需要3个字节表示。为了让计算机能直接处理字符，io流中就提供了字符流，即数据源是字符，在计算机中再把这些字符转换成字节进行处理。

字符流

CharArrayReader，数据源是字符数组，从这里读取数据。

CharArrayWriter，数据源是字符数组，往里面写入数据

字节流

2.NIO

即非阻塞(non-blocking) IO，也可以叫做new IO

2.1 三大组件

2.1.1 Channel

Channel：读写数据的双向通道，可以从channel中将数据读取数据，即向buffer中写入数据，也可以将buffer中的数据写入Channel。

常见的Channel有以下四种，其中FileChannel主要用于文件传输，其余三种用于网络通信

FileChannel(只能工作在阻塞模式)
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

//阻塞模式下........
//一个方法的调用会影响其他的方法

//下面都是在服务器中的逻辑
//服务器通道
ServerSocketChannel serverChannel = new ServerSocketChannel();
//绑定监听端口
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
//开始监听..
SocketChannel clientChannel = serverChannel.accpet();//阻塞方法，线程会停止运行，等待一个新连接的建立，只要没有新连接，就会一直等待
//将clientChannel通道中的数据读出来，写入服务器端的buffer
int readBytes = clientChannel.read(buffer);//阻塞方法，只要没有客户端向服务器发送数据就会阻塞

Channel可以是阻塞的，也可以是非阻塞的，默认是阻塞的，可以将ServerSocketChannel手动设置为非阻塞模式。

//非阻塞模式下.........
serverChannel.configureBlocking(false);
...
//现在如果没有连接建立，返回的是null，非阻塞，线程会继续往下运行
SocketChannel clientChannel = serverChannel.accpet();
...
//将客户端通道也设置为非阻塞，那当调用该通道的read的时候，也不会阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read返回0
clientChannel.configureBlocking(false);
int readBytes = clientChannel.read(buffer);

2.1.2 ByteBuffer

Buffer迎来缓冲读写数据，支持不同数据类型的缓冲区，有以下几种，其中使用较多的是ByteBuffer

ByteBuffer
- MappedByteBuffer
- DirectByteBuffer
- HeapByteBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer
CharBuffer

所以下面都以ByteBuffer为例

2.1.2.1 属性

ByteBuffer中重要的属性：capacity(缓冲区容量)，position(当前的读写位置指针，指向下一次要读写的位置)，limit(读入写入限制大小指针)

bytebuffer默认是写模式，当写入数据后，flip()切换为读模式

clean()是切换写模式从头开始写，不管上次是否读完

compact()也是切换为写模式，会把上次未读完的放到缓冲区前面

反正始终记住，读前面先切换为读模式，写前切换为写模式

2.1.2.2 常见方法

allocate(大小)

创建buffer并给buffer分配空间。
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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); //HeapByteBuffer ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(16);//DirectByteBuffer
HeapByteBuffer(使用java堆内存分配空间，读写效率低，会受到GC影响)

DirectByteBuffer(使用直接内存分配空间，读写效率高，不会受到GC影响)

read()/put()

向buffer写入数据。

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// readBytes实际读到的字节数
int readByets = channel.read(buffer);//从通道中读取数据，写入buffer
buffer.put((byte)127);//调用buffer自己的put方法

write()/get()

从buffer中读取数据。

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//writeBytes实际写入channel的字节数
int writeBytes = channel.write(buffer);//从buffer中读数据，写入通道中
byte b = buffer.get();//会让position读指针向后移动一位，get(i)只会获取索引为i的数，而不会移动指针，rewind(),把position置0，重新读

bytebuffer和字符串的转换

第一种方法将字符串放入buffer后，buffer还是写模式，如果想读，需要切换为读模式。

第二种和第三种添加完会自动改为读模式。

2.1.3 Selector

管理Channel并监听Channel上是否有事件发生

1.阻塞直到绑定事件发生

1	`int count = selector.select();`

2.阻塞直到绑定事件发生，或者超时，事件单位是ms

1	`int count = selector.select(Long timeout);`

//多路复用.........

//创建buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); //HeapByteBuffer
//创建channel
ServerSocketChannel serverChannel = new ServerSocketChannel();
serverChannel.configureBlocking(false);

//创建selector，管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
//建立selector与channel的联系，即将channel注册在selector上
//SelectionKey唯一绑定一个channel，通过它可以 知道事件和哪个channel的事件
													  //0表示不关注任何事件
SelectionKey serverKey = serverChannel.register(selector,0,null);
//表示这个key只关注accept事件
serverKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
//绑定监听端口
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true){
    //开始监听，没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会运行
    //在事件未处理时，不会阻塞，会重新将事件放到selectionKeys中，让服务器处理
    selector.select();
    //被触发的事件集合
    //在发生事件后selector会往selectionKeys里面加事key，但是不会删除
selectionKeys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key :
         selectionKeys) {
        if(key.isAcceptable()){
            //获得事件对应的channel
            ServerSocketChannel serverChannel = key.channel();
            //服务器端处理事件
            SocketChannel clientChannel = serverChannel.accpet();
            clientChannel.configureBlocking(false);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); 
            //attachment,附件，将bytebuffer作为附件关联到clientKey上
            SelectionKey clientKey = clientChannel.register(selector,0,buffer);
            clientChannel.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            //key.cancel();把事件取消
        }else if(key.isReadable()){
            try{
                //当前是读事件，说明客户端向服务器发送数据了
                //拿到触发事件的channel
                SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                //获取key上关联的附件
                ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                //将客户端通道中的数据写入服务器端的buffer
                int read = clientChannel.read(buffer);
                //如果是正常断开，read的值为-1
                if(read == -1){
                    key.cancel();
                }else{
                    //正常情况，没有断开，buffer切换为读模式
                    buffer.flip();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
                key.channel();//异常断开。因为客户端断开，因此需要将key取消
            }
        }
    }
    //处理完key集合后，需要删除
    selectionKeys.clear();
}

事件种类：

accpet：会在有连接请求时触发

connect：是客户端，连接建立时触发

read：可读事件

write：可写事件

2.2 阻塞&非阻塞&多路复用

阻塞模式下，一个方法会影响其他方法，阻塞住无法继续运行。

非阻塞模式下，如果没有事件发生，也会继续运行，会一直进行空循环，非常浪费cpu性能

多路复用模式下，只有事件发生了，selector.select()才会继续运行，处理事件，如果没有事件，这里会阻塞住，不会让事件白忙活~

引用：https://www.bilibili.com/video/BV1py4y1E7oA?p=39&spm_id_from=pageDriver

2.3 Stream vs Channel

strean不会自动缓冲数据，channel会利用系统提供的发送缓冲区和接受缓冲区，将通道中的数据暂存到缓冲区中
stream仅支持阻塞模式，channel可以支持阻塞和非阻塞，网络channel可以配合selector实现多路复用
二者均为全双工，即读写可以同时进行

2.4 IO模型

当用户调用一次channel.read(没有设置为非阻塞的情况)或stream.read时，会切换到操作系统内核来完成数据的真正读取，而读取又分为等待数据和复制数据阶段。

2.4.1 阻塞IO

用户线程阻塞住，阻塞IO在做一件事的时候不能做另一件事

2.4.2 非阻塞IO

在等待数据阶段，用户线程会一直询问是否有数据，如果没有就会返回0，然后继续询问，这之间多次进行用户态和内核态的切换，非常耗费CPU性能，当有数据后，还是会阻塞住，等待内核复制数据。

2.4.3 多路复用

多路复用和阻塞IO的区别

2.4.4 同步和异步

同步：线程自己去获取结果(只有一个线程)

异步：线程自己不去获取结果，而是由其他线程送结果(至少两个线程)

上面三种都是同步的，即由线程自己发起的动作，也是由它主动接收结果。

异步：用户线程自己发起动作，并且由操作系统调用回调方法，由操作系统将最终的结果通过回调方法返回给用户线程。如图：

2.5 零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存(用户缓冲区)中，同时具有以下三个优点

更少的用户态与内核态的切换
不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
零拷贝适合小文件传输

传统io

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);