NIO原理详解

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本文链接：https://blog.csdn.net/CharJay_Lin/article/details/81810922
文章目录
前言
1.阻塞与同步
2.BIO与NIO对比
3.NIO简介
4.缓冲区Buffer
5.通道Channel
6.反应堆
7.选择器
8.NIO源码分析
9.AIO
前言
该文是对NIO知识的归纳与整理

1.阻塞与同步
1）阻塞(Block)和非租塞(NonBlock):

阻塞和非阻塞是进程在访问数据的时候，数据是否准备就绪的一种处理方式，当数据没有准备的时候阻塞：往往需要等待缞冲区中的数据准备好过后才处理其他的事情，否則一直等待在那里。

非阻塞：当我们的进程访问我们的数据缓冲区的时候，如果数据没有准备好则直接返回，不会等待。如果数据已经准备好，也直接返回

2）同步(Synchronization)和异步(Async)的方式：

同步和异步都是基于应用程序私操作系统处理IO事件所采用的方式，比如同步：是应用程序要直接参与IO读写的操作。异步：所有的IO读写交给搡作系统去处理，应用程序只需要等待通知。

同步方式在处理IO事件的时候，必须阻塞在某个方法上靣等待我们的IO事件完成(阻塞IO事件或者通过轮询IO事件的方式）.对于异步来说，所有的IO读写都交给了搡作系统。这个时候，我们可以去做其他的事情，并不拓要去完成真正的IO搡作，当搡作完成IO后.会给我们的应用程序一个通知

同步：阻塞到IO事件，阻塞到read成则write。这个时候我们就完全不能做自己的事情，让读写方法加入到线程里面，然后阻塞线程来实现，对线程的性能开销比较大，

参考：https://blog.csdn.net/CharJay_Lin/article/details/81259880

2.BIO与NIO对比
block IO与Non-block IO
1）区别

IO模型 IO NIO
方式 从硬盘到内存 从内存到硬盘
通信 面向流（乡村公路） 面向缓存（高速公路，多路复用技术）
处理 阻塞IO（多线程） 非阻塞IO（反应堆Reactor）
触发 无 选择器（轮询机制）
2）面向流与面向缓冲
Java NIO和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面向流意味着毎次从流中读一个成多个字节，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教据，需要先将它缓存到一个缓冲区。Java 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，霱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裾。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。

3）阻塞与非阻塞
Java 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。 Java 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，所以直至数据变的可以读取之前，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）。

4）选择器（Selector)
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择"通道：这些通里已经有可以处理的褕入，或者选择已准备写入的通道。这选怿机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

5）NIO和BIO读取文件
BIO读取文件：链接
BIO从一个阻塞的流中一行一行的读取数据

NIO读取文件：链接
通道是数据的载体，buffer是存储数据的地方，线程每次从buffer检查数据通知给通道

6）处理数据的线程数
NIO：一个线程管理多个连接
BIO：一个线程管理一个连接

3.NIO简介
在Java1.4之前的I/O系统中，提供的都是面向流的I/O系统，系统一次一个字节地处理数据，一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据，面向流的I/O速度非常慢，而在Java 1.4中推出了NIO，这是一个面向块的I/O系统，系统以块的方式处理处理，每一个操作在一步中产生或者消费一个数据库，按块处理要比按字节处理数据快的多。

在NIO中有几个核心对象需要掌握：缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）。
参考：链接

4.缓冲区Buffer
缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，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，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。

在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

1）其中的四个属性的含义分别如下：
容量（Capacity）：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一个容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能改变。
上界(Limit)：缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说,缓冲区中现存元素的计数。
位置(Position)：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。
标记(Mark)：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。

2）Buffer的常见方法如下所示:
flip(): 写模式转换成读模式
rewind()：将 position 重置为 0 ，一般用于重复读。
clear() ：
compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。
mark(): reset():mark 可以标记一个位置， reset 可以重置到该位置。
Buffer 常见类型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

3）基本操作
Buffer基础操作： 链接
缓冲区分片，缓冲区分配，直接缓存区，缓存区映射，缓存区只读：链接

4）缓冲区存取数据流程
存数据时position会++，当停止数据读取的时候
调用flip()，此时limit=position，position=0
读取数据时position++，一直读取到limit
clear() 清空 buffer ，准备再次被写入 (position 变成 0 ， limit 变成 capacity) 。

5.通道Channel
通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：

1）使用NIO读取数据
在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：

从FileInputStream获取Channel
创建Buffer
将数据从Channel读取到Buffer中
例子：链接
2）使用NIO写入数据
使用NIO写入数据与读取数据的过程类似，同样数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为下面三个步骤：

从FileInputStream获取Channel
创建Buffer
将数据从Channel写入到Buffer中
例子：链接
6.反应堆
1）阻塞IO模型
在老的IO包中，serverSocket和socket都是阻塞式的，因此一旦有大规模的并发行为，而每一个访问都会开启一个新线程。这时会有大规模的线程上下文切换操作（因为都在等待，所以资源全都被已有的线程吃掉了），这时无论是等待的线程还是正在处理的线程，响应率都会下降，并且会影响新的线程。

2）NIO
Java NIO是在jdk1.4开始使用的，它既可以说成“新IO”，也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理：
1.由一个专门的线程来处理所有的IO事件，并负责分发。
2.事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。
3.线程通讯：线程之间通过wait,notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

注：每个线程的处理流程大概都是读取数据，解码，计算处理，编码，发送响应。

7.选择器
传统的 server / client 模式会基于 TPR ( Thread per Request ) ．服务器会为每个客户端请求建立一个线程．由该线程单独负贵处理一个客户请求。这种模式带未的一个问题就是线程数是的剧增．大量的线程会增大服务器的开销，大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这又带来了新的问题，如果线程池中有 200 个线程，而有 200 个用户都在进行大文件下载，会导致第 201 个用户的请求无法及时处理，即便第 201 个用户只想请求一个几 KB 大小的页面。传统的 Sorvor / Client 模式如下围所示：

NIO 中非阻塞IO采用了基于Reactor模式的工作方式，IO调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特点IO事件，如可读数据到达，新的套接字等等，在发生持定率件时，系统再通知我们。 NlO中实现非阻塞IO的核心设计Selector，Selector就是注册各种IO事件的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件。

当有读或者写等任何注册的事件发生时，可以从Selector中获得相应的SelectionKey，同时从SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。
使用NIO中非阻塞IO编写服务器处理程序，有三个步骤
1.向Selector对象注册感兴趣的事件
2.从Selector中获取感兴趣的事件
3.根据不同事件进行相应的处理

8.NIO源码分析
Selector是NIO的核心
epool模型

1）Selector
Selector的open()方法：链接

2）ServerSocketChannel
ServerSocketChannel.open() 链接

9.AIO
Asynchronous IO
异步非阻塞IO

BIO ServerSocket
NIO ServerSocketChannel
AIO AsynchronousServerSocketChannel

AIO通信例子：链接

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