NIO学习笔记

零、前言

　　这里整理摘录了我了解NIO的一些笔记。

　　参考资料：

　　1、深入浅出NIO之Channel、Buffer

　　2、深入浅出NIO之Selector实现原理

　　3、Java NIO vs. IO

一、NIO与BIO的简单对比

　　Java中，传统的IO，又称BIO（Blocking IO，阻塞式IO）。BIO是面向流（stream）的，阻塞的。

　　NIO（Non-Blocking IO，非阻塞式IO）。NIO是面向缓存（buffer）的，非阻塞的。

　　1、面向流与面向缓存

BIO是面向流模式，意味着数据只能读取一次，没有缓存，不能在数据中向前向后移动；

NIO是面向缓存模式，指数据被缓存到一个数据块中，数据可以重复读写，可以在数据中向前向后移动；

　　2、阻塞与非阻塞

　　BIO是阻塞式的，这意味者当一个线程调用读/写方法的时候，这个线程会被阻塞，直到读/写操作完成，这个时间线程不能再干其它事情。

　　NIO是非阻塞式的，一个线程请求读/写数据到一个通道上时，不需要等待读/写完成，该线程可以干其它事情。

二、NIO的几个核心部分

　　NIO组件图如下：

（图1、NIO组件图）

　　Buffer：

　　1、一块缓存区，内部使用字节数组存储数据，并维护几个特殊变量，实现数据的反复利用。

　　2、几个特殊变量：

　　– position – 初始值为0，用于表示当前可以读/写数据的位置，当读/写一个数据后，position向前移动到下一个位置；

　　– mark – 初始值为-1，用于备份当前position；

　　– limit – 写模式：表示Buffer最多能写多少数据、读模式：表示最多读取多少数据；

　　– capacity – 缓存数据的大小

（图2、Buffer内部结构示意图）

　　3、Buffer的几个方法：

　　mark() – 把position值赋给mark

　　reset() – 把mark值还原给position

　　clear() – 重置几个变量，恢复状态，数据不会被删除

　　flip() – 从写模式变成读模式（怎么变？不是很懂）

　　rewind() – 重置position为0，mark为-1

　　目前Buffer的实现类（按类型，省略Buffer后缀）有：

　　Byte、Char、Double、Float、Int、Long、Short、MappedByte

（图3、Buffer类继承图）

　　注：Buffer内存空间的申请可以从JVM堆内存中申请或者直接物理内存中申请，如HeapByteBuffer和DirectByteBuffer

　　Channel：

　　1、NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel，Channel又称“通道”，类似于原来I/O中的流(Stream)，Channel与Buffer相连。

　　2、通道与流的对比：

对比项	流	通道
方向	单向	双向，可写可读
是否阻塞	读写阻塞	读写异步
缓存	可以选择性读入缓存	必须先读/写到缓存

　　3、关于Channel先读/写到缓存的问题：

　　Channel的读/写到缓存的策略导致了Channel的read/write方法把数据复制了两次（为什么要这样？）：

　　read方法 – 申请一块缓存，先读取数据到缓存（由native方法实现），再把数据从缓存读取到用户自定义的缓存；

　　write方法 – 申请一块缓存，先从用户自定义的缓存中数据写到缓存中，再把数据从缓存中写入其它地方，如文件（由native方法实现）

　　Selector：

　　1、Selecttor相当于一个监听器，不断地去轮询Channel，示意图如下：

（图4、Selector示意图）

　　2、Channel需要在Selector上注册事件。

　　比如：SocketChannel有如下事件：connect（客户端连服务端事件）、accept（服务端接收连接事件）、read（读事件）、write（写事件）

　　3、Selector如何同时管理多个socket？

　　3.1、Selector的实例化由SelectorProvider类实现。

　　3.2、Selector初始化时会实例化PollWrapper、SelectionKeyImpl数组和Pipe。

　　– PollWrapper

　　作用：对pollfd（一个8位结构体，前4位保存socket句柄，后4位保存事件）进行管理。

　　操作：提供对pollfd句柄插入和事件插入的操作。

　　– SelectionKeyImpl

　　作用：表示SelectableChannel在Selector中注册的标记/句柄，一个SelectionKeyImpl代表和一个Channel和一个事件的关联关系。

　　操作：提供插入事件的操作，最终会插入到pollfd结构体里面。

　　– Pipe

　　作用：表示两个线程之间的单向数据连接，数据会从sink通道写入，从source通道读取。

　　Selector的注册过程，实际上是把通道和事件的信息维护起来；

　　注：我对这块的理解是最终Channel、Event的信息会落地到pollfd数组里，也就是说Channel的注册、SelectionKey和该数组密切相关。

　　4、这里Selector已经维护通道和事件的信息，调用select方法，然后遍历SelectionKeyImpl找到对应的SelectionKeyImpl，获取Channel，最后读取消息。

　　　　– select方法的核心是poll方法，该方法由native函数poll0实现对socket句柄(Fds)数组的操作。如果没有事件发生，则会阻塞，直到超时；