Netty学习之NIO基础

Netty学习之NIO基础

本博客是根据黑马程序员Netty实战学习时所做的笔记

一、三大组件简介

Channel与Buffer

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区(Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理

简而言之，通道负责传输，缓冲区负责存储

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
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

Buffer有以下几种，其中使用较多的是ByteBuffer

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

1、Selector

在使用Selector之前，处理socket连接还有以下两种方法

使用多线程技术

为每个连接分别开辟一个线程，分别去处理对应的socke连接

这种方法存在以下几个问题

• 内存占用高
  • 每个线程都需要占用一定的内存，当连接较多时，会开辟大量线程，导致占用大量内存
• 线程上下文切换成本高
• 只适合连接数少的场景
  • 连接数过多，会导致创建很多线程，从而出现问题

使用线程池技术

使用线程池，让线程池中的线程去处理连接

这种方法存在以下几个问题

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个连接

  • 线程池中的线程获取任务（task）后，只有当其执行完任务之后（断开连接后），才会去获取并执行下一个任务
  • 若socke连接一直未断开，则其对应的线程无法处理其他socke连接

• 仅适合

  短连接

  场景

  • 短连接即建立连接发送请求并响应后就立即断开，使得线程池中的线程可以快速处理其他连接

使用选择器

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel（fileChannel因为是阻塞式的，所以无法使用selector），获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，当一个channel中没有执行任务时，可以去执行其他channel中的任务。适合连接数多，但流量较少的场景

若事件未就绪，调用 selector 的 select() 方法会阻塞线程，直到 channel 发生了就绪事件。这些事件就绪后，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

2、ByteBuffer

使用案例

使用方式

• 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)

• 调用 flip() 切换至

  读模式

  • flip会使得buffer中的limit变为position，position变为0

• 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()

• 调用 clear() 或者compact()切换至

  写模式

  • 调用clear()方法时position=0，limit变为capacity
  • 调用compact()方法时，会将缓冲区中的未读数据压缩到缓冲区前面

• 重复以上步骤

使用ByteBuffer读取文件中的内容

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 获得FileChannel
        try (FileChannel channel = new FileInputStream("stu.txt").getChannel()) {
            // 获得缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            int hasNext = 0;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while((hasNext = channel.read(buffer)) > 0) {
                // 切换模式 limit=position, position=0
                buffer.flip();
                // 当buffer中还有数据时，获取其中的数据
                while(buffer.hasRemaining()) {
                    builder.append((char)buffer.get());
                }
                // 切换模式 position=0, limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            System.out.println(builder.toString());
        } catch (IOException e) {
        }
    }
}Copy

打印结果

0123456789abcdefCopy

核心属性

字节缓冲区的父类Buffer中有几个核心属性，如下

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;Copy

• capacity：缓冲区的容量。通过构造函数赋予，一旦设置，无法更改
• limit：缓冲区的界限。位于limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量
• position：下一个读写位置的索引（类似PC）。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于limit
• mark：记录当前position的值。position被改变后，可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置。

以上四个属性必须满足以下要求

mark <= position <= limit <= capacity

核心方法

put()方法

• put()方法可以将一个数据放入到缓冲区中。
• 进行该操作后，postition的值会+1，指向下一个可以放入的位置。capacity = limit ，为缓冲区容量的值。

flip()方法

• flip()方法会切换对缓冲区的操作模式，由写->读 / 读->写
• 进行该操作后
  • 如果是写模式->读模式，position = 0 ， limit 指向最后一个元素的下一个位置，capacity不变
  • 如果是读->写，则恢复为put()方法中的值

get()方法

• get()方法会读取缓冲区中的一个值
• 进行该操作后，position会+1，如果超过了limit则会抛出异常
• 注意：get(i)方法不会改变position的值

rewind()方法

• 该方法只能在读模式下使用
• rewind()方法后，会恢复position、limit和capacity的值，变为进行get()前的值

clean()方法

• clean()方法会将缓冲区中的各个属性恢复为最初的状态，position = 0, capacity = limit
• 此时缓冲区的数据依然存在，处于“被遗忘”状态，下次进行写操作时会覆盖这些数据

mark()和reset()方法

• mark()方法会将postion的值保存到mark属性中
• reset()方法会将position的值改为mark中保存的值

compact()方法

此方法为ByteBuffer的方法，而不是Buffer的方法

• compact会把未读完的数据向前压缩，然后切换到写模式
• 数据前移后，原位置的值并未清零，写时会覆盖之前的值

clear() VS compact()

clear只是对position、limit、mark进行重置，而compact在对position进行设置，以及limit、mark进行重置的同时，还涉及到数据在内存中拷贝（会调用arraycopy）。**所以compact比clear更耗性能。**但compact能保存你未读取的数据，将新数据追加到为读取的数据之后；而clear则不行，若你调用了clear，则未读取的数据就无法再读取到了

所以需要根据情况来判断使用哪种方法进行模式切换

方法调用及演示

ByteBuffer调试工具类

需要先导入netty依赖

<dependency>
  <groupId>io.netty</groupId>
  <artifactId>netty-all</artifactId>
  <version>4.1.51.Final</version>
</dependency>Copy
import java.nio.ByteBuffer;

import io.netty.util.internal.MathUtil;
import io.netty.util.internal.StringUtil;
import io.netty.util.internal.MathUtil.*;


/**
 * @author Panwen Chen
 * @date 2021/4/12 15:59
 */
public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(StringUtil.NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (MathUtil.isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        StringUtil.NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        StringUtil.NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(StringUtil.NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(StringUtil.NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}Copy

调用ByteBuffer的方法

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 向buffer中写入1个字节的数据
        buffer.put((byte)97);
        // 使用工具类，查看buffer状态
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 向buffer中写入4个字节的数据
        buffer.put(new byte[]{98, 99, 100, 101});
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 获取数据
        buffer.flip();
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
        System.out.println(buffer.get());
        System.out.println(buffer.get());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 使用compact切换模式
        buffer.compact();
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);

        // 再次写入
        buffer.put((byte)102);
        buffer.put((byte)103);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
    }
}Copy

运行结果

// 向缓冲区写入了一个字节的数据，此时postition为1
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 00 00 00 00 00 00 00 00 00                   |a.........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 向缓冲区写入四个字节的数据，此时position为5
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 65 00 00 00 00 00                   |abcde.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

// 调用flip切换模式，此时position为0，表示从第0个数据开始读取
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 65 00 00 00 00 00                   |abcde.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
// 读取两个字节的数据             
97
98
            
// position变为2             
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [2], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 65 00 00 00 00 00                   |abcde.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
             
// 调用compact切换模式，此时position及其后面的数据被压缩到ByteBuffer前面去了
// 此时position为3，会覆盖之前的数据             
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [3], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 63 64 65 64 65 00 00 00 00 00                   |cdede.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
             
// 再次写入两个字节的数据，之前的 0x64 0x65 被覆盖         
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 63 64 65 66 67 00 00 00 00 00                   |cdefg.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

字符串与ByteBuffer的相互转换

方法一

编码：字符串调用getByte方法获得byte数组，将byte数组放入ByteBuffer中

解码：先调用ByteBuffer的flip方法，然后通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";


        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
        // 通过字符串的getByte方法获得字节数组，放入缓冲区中
        buffer1.put(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 切换模式
        buffer1.flip();
        
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [16]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |hello...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

方法二

编码：通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer，此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式

解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode(str1);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

方法三

编码：字符串调用getByte()方法获得字节数组，将字节数组传给ByteBuffer的wrap()方法，通过该方法获得ByteBuffer。同样无需调用flip方法切换为读模式

解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

粘包与半包

现象

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为

• Hello,world\n
• I’m Nyima\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (粘包，半包)

• Hello,world\nI’m Nyima\nHo
• w are you?\n

出现原因

粘包

发送方在发送数据时，并不是一条一条地发送数据，而是将数据整合在一起，当数据达到一定的数量后再一起发送。这就会导致多条信息被放在一个缓冲区中被一起发送出去

半包

接收方的缓冲区的大小是有限的，当接收方的缓冲区满了以后，就需要将信息截断，等缓冲区空了以后再继续放入数据。这就会发生一段完整的数据最后被截断的现象

解决办法

• 通过get(index)方法遍历ByteBuffer，遇到分隔符时进行处理。

  注意

  ：get(index)不会改变position的值

  • 记录该段数据长度，以便于申请对应大小的缓冲区
  • 将缓冲区的数据通过get()方法写入到target中

• 调用compact方法切换模式，因为缓冲区中可能还有未读的数据

public class ByteBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
        // 模拟粘包+半包
        buffer.put("Hello,world\nI'm Nyima\nHo".getBytes());
        // 调用split函数处理
        split(buffer);
        buffer.put("w are you?\n".getBytes());
        split(buffer);
    }

    private static void split(ByteBuffer buffer) {
        // 切换为读模式
        buffer.flip();
        for(int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {

            // 遍历寻找分隔符
            // get(i)不会移动position
            if (buffer.get(i) == '\n') {
                // 缓冲区长度
                int length = i+1-buffer.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 将前面的内容写入target缓冲区
                for(int j = 0; j < length; j++) {
                    // 将buffer中的数据写入target中
                    target.put(buffer.get());
                }
                // 打印查看结果
                ByteBufferUtil.debugAll(target);
            }
        }
        // 切换为写模式，但是缓冲区可能未读完，这里需要使用compact
        buffer.compact();
    }
}Copy

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 0a             |Hello,world.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [10], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 27 6d 20 4e 79 69 6d 61 0a                   |I'm Nyima.      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 6f 77 20 61 72 65 20 79 6f 75 3f 0a          |How are you?.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Copy

二、文件编程

1、FileChannel

工作模式

FileChannel只能在阻塞模式下工作，所以无法搭配Selector

获取

不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法

• 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
• 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
• 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定

读取

通过 FileInputStream 获取channel，通过read方法将数据写入到ByteBuffer中

read方法的返回值表示读到了多少字节，若读到了文件末尾则返回-1

int readBytes = channel.read(buffer);Copy

可根据返回值判断是否读取完毕

while(channel.read(buffer) > 0) {
    // 进行对应操作
    ...
}Copy

写入

因为channel也是有大小的，所以 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel。必须需要按照以下规则进行写入

// 通过hasRemaining()方法查看缓冲区中是否还有数据未写入到通道中
while(buffer.hasRemaining()) {
	channel.write(buffer);
}Copy

关闭

通道需要close，一般情况通过try-with-resource进行关闭，最好使用以下方法获取strea以及channel，避免某些原因使得资源未被关闭

public class TestChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("stu.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("student.txt");
             FileChannel inputChannel = fis.getChannel();
             FileChannel outputChannel = fos.getChannel()) {
            
            // 执行对应操作
            ...
                
        }
    }
}Copy

位置

position

channel也拥有一个保存读取数据位置的属性，即position

long pos = channel.position();Copy

可以通过position(int pos)设置channel中position的值

long newPos = ...;
channel.position(newPos);Copy

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

• 这时读取会返回 -1
• 这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）

强制写入

操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘，而是等到缓存满了以后将所有数据一次性的写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘

2、两个Channel传输数据

transferTo方法

使用transferTo方法可以快速、高效地将一个channel中的数据传输到另一个channel中，但一次只能传输2G的内容

transferTo底层使用了零拷贝技术

public class TestChannel {
    public static void main(String[] args){
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("stu.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("student.txt");
             FileChannel inputChannel = fis.getChannel();
             FileChannel outputChannel = fos.getChannel()) {
            // 参数：inputChannel的起始位置，传输数据的大小，目的channel
            // 返回值为传输的数据的字节数
            // transferTo一次只能传输2G的数据
            inputChannel.transferTo(0, inputChannel.size(), outputChannel);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

当传输的文件大于2G时，需要使用以下方法进行多次传输

public class TestChannel {
    public static void main(String[] args){
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("stu.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("student.txt");
             FileChannel inputChannel = fis.getChannel();
             FileChannel outputChannel = fos.getChannel()) {
            long size = inputChannel.size();
            long capacity = inputChannel.size();
            // 分多次传输
            while (capacity > 0) {
                // transferTo返回值为传输了的字节数
                capacity -= inputChannel.transferTo(size-capacity, capacity, outputChannel);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

3、Path与Paths

• Path 用来表示文件路径
• Paths 是工具类，用来获取 Path 实例

Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 不带盘符 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt

Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了  d:\1.txt 反斜杠需要转义

Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了  d:\1.txt

Path projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了  d:\data\projectsCopy

• . 代表了当前路径
• .. 代表了上一级路径

例如目录结构如下

d:
	|- data
		|- projects
			|- a
			|- bCopy

代码

Path path = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
System.out.println(path);
System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径 会去除 . 以及 ..Copy

输出结果为

d:\data\projects\a\..\b
d:\data\projects\bCopy

4、Files

查找

检查文件是否存在

Path path = Paths.get("helloword/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));Copy

创建

创建一级目录

Path path = Paths.get("helloword/d1");
Files.createDirectory(path);Copy

• 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException
• 不能一次创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException

创建多级目录用

Path path = Paths.get("helloword/d1/d2");
Files.createDirectories(path);Copy

拷贝及移动

拷贝文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/target.txt");

Files.copy(source, target);Copy

• 如果文件已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException

如果希望用 source 覆盖掉 target，需要用 StandardCopyOption 来控制

Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);Copy

移动文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/data.txt");

Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);Copy

• StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性

删除

删除文件

Path target = Paths.get("helloword/target.txt");

Files.delete(target);Copy

• 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException

删除目录

Path target = Paths.get("helloword/d1");

Files.delete(target);Copy

• 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历

可以使用Files工具类中的walkFileTree(Path, FileVisitor)方法，其中需要传入两个参数

• Path：文件起始路径

• FileVisitor：文件访问器，

  使用访问者模式

  • 接口的实现类

    SimpleFileVisitor

    有四个方法

    • preVisitDirectory：访问目录前的操作
    • visitFile：访问文件的操作
    • visitFileFailed：访问文件失败时的操作
    • postVisitDirectory：访问目录后的操作

public class TestWalkFileTree {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path path = Paths.get("F:\\JDK 8");
        // 文件目录数目
        AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
        // 文件数目
        AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
            @Override
            public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println("===>"+dir);
                // 增加文件目录数
                dirCount.incrementAndGet();
                return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
            }

            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println(file);
                // 增加文件数
                fileCount.incrementAndGet();
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        // 打印数目
        System.out.println("文件目录数:"+dirCount.get());
        System.out.println("文件数:"+fileCount.get());
    }
}Copy

运行结果如下

...
===>F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited
F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited\local_policy.jar
F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited\US_export_policy.jar
F:\JDK 8\lib\security\trusted.libraries
F:\JDK 8\lib\sound.properties
F:\JDK 8\lib\tzdb.dat
F:\JDK 8\lib\tzmappings
F:\JDK 8\LICENSE
F:\JDK 8\README.txt
F:\JDK 8\release
F:\JDK 8\THIRDPARTYLICENSEREADME-JAVAFX.txt
F:\JDK 8\THIRDPARTYLICENSEREADME.txt
F:\JDK 8\Welcome.html
文件目录数:23
文件数:279Copy

三、网络编程

1、阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read 会在通道中没有数据可读时让线程暂停
  • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
• 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
  • 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
  • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

服务端代码

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                System.out.println("before connecting...");
                // 没有连接时，会阻塞线程
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                System.out.println("after connecting...");
                channels.add(socketChannel);
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    System.out.println("before reading");
                    // 处理通道中的数据
                    // 当通道中没有数据可读时，会阻塞线程
                    channel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("after reading");
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            // 建立连接
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            System.out.println("waiting...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

运行结果

• 客户端-服务器建立连接前：服务器端因accept阻塞

• 客户端-服务器建立连接后，客户端发送消息前：服务器端因通道为空被阻塞

• 客户端发送数据后，服务器处理通道中的数据。再次进入循环时，再次被accept阻塞

• 之前的客户端再次发送消息**，服务器端因为被accept阻塞**，无法处理之前客户端发送到通道中的信息

2、非阻塞

• 可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接，accept会返回null
• 可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读，read会返回-1

服务器代码如下

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                // 设置为非阻塞模式，没有连接时返回null，不会阻塞线程
                server.configureBlocking(false);
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                // 通道不为空时才将连接放入到集合中
                if (socketChannel != null) {
                    System.out.println("after connecting...");
                    channels.add(socketChannel);
                }
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    // 处理通道中的数据
                    // 设置为非阻塞模式，若通道中没有数据，会返回0，不会阻塞线程
                    channel.configureBlocking(false);
                    int read = channel.read(buffer);
                    if(read > 0) {
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("after reading");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

这样写存在一个问题，因为设置为了非阻塞，会一直执行while(true)中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不使用这种方法处理请求

3、Selector

多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

• 多路复用仅针对网络 IO，普通文件 IO 无法利用多路复用
• 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证
  • 有可连接事件时才去连接
  • 有可读事件才去读取
  • 有可写事件才去写入
    • 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件

4、使用及Accpet事件

要使用Selector实现多路复用，服务端代码如下改进

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        
        				// 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

步骤解析

• 获得选择器Selector

Selector selector = Selector.open();Copy

• 将

  通道设置为非阻塞模式

  ，并注册到选择器中，并设置感兴趣的事件

  • channel 必须工作在非阻塞模式

  • FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用

  • 绑定的

    事件类型

    可以有

    • connect - 客户端连接成功时触发
    • accept - 服务器端成功接受连接时触发
    • read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
    • write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

// 通道必须设置为非阻塞模式
server.configureBlocking(false);
// 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的实践
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);Copy

• 通过Selector监听事件，并获得就绪的通道个数，若没有通道就绪，线程会被阻塞

  • 阻塞直到绑定事件发生

    int count = selector.select();Copy
    

  • 阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）

    int count = selector.select(long timeout);Copy
    

  • 不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件

    int count = selector.selectNow();Copy
    

• 获取就绪事件并得到对应的通道，然后进行处理

// 获取所有事件
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
// 使用迭代器遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
	SelectionKey key = iterator.next();
                    
	// 判断key的类型，此处为Accept类型
	if(key.isAcceptable()) {
        // 获得key对应的channel
        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

        // 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();

        // 处理完毕后移除
        iterator.remove();
	}
}Copy

事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

5、Read事件

• 在Accept事件中，若有客户端与服务器端建立了连接，需要将其对应的SocketChannel设置为非阻塞，并注册到选择其中
• 添加Read事件，触发后进行读取操作

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的实践
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择其中
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("after reading...");
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

删除事件

当处理完一个事件后，一定要调用迭代器的remove方法移除对应事件，否则会出现错误。原因如下

以我们上面的 Read事件 的代码为例

• 当调用了 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)后，Selector中维护了一个集合，用于存放SelectionKey以及其对应的通道

  // WindowsSelectorImpl 中的 SelectionKeyImpl数组
  private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];Copy
  

  public class SelectionKeyImpl extends AbstractSelectionKey {
      // Key对应的通道
      final SelChImpl channel;
      ...
  }Copy
  

  

• 当选择器中的通道对应的事件发生后，selecionKey会被放到另一个集合中，但是selecionKey不会自动移除，所以需要我们在处理完一个事件后，通过迭代器手动移除其中的selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理，就会引发错误

断开处理

当客户端与服务器之间的连接断开时，会给服务器端发送一个读事件，对异常断开和正常断开需要加以不同的方式进行处理

• 正常断开

  • 正常断开时，服务器端的channel.read(buffer)方法的返回值为-1，所以当结束到返回值为-1时，需要调用key的cancel方法取消此事件，并在取消后移除该事件

    int read = channel.read(buffer);
    // 断开连接时，客户端会向服务器发送一个写事件，此时read的返回值为-1
    if(read == -1) {
        // 取消该事件的处理
    	key.cancel();
        channel.close();
    } else {
        ...
    }
    // 取消或者处理，都需要移除key
    iterator.remove();Copy
    

• 异常断开

  • 异常断开时，会抛出IOException异常， 在try-catch的catch块中捕获异常并调用key的cancel方法即可

消息边界

不处理消息边界存在的问题

将缓冲区的大小设置为4个字节，发送2个汉字（你好），通过decode解码并打印时，会出现乱码

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
// 解码并打印
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));Copy
你�
��Copy

这是因为UTF-8字符集下，1个汉字占用3个字节，此时缓冲区大小为4个字节，一次读时间无法处理完通道中的所有数据，所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送，解码时就会出现问题

处理消息边界

传输的文本可能有以下三种情况

• 文本大于缓冲区大小
  • 此时需要将缓冲区进行扩容
• 发生半包现象
• 发生粘包现象

解决思路大致有以下三种

• 固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，当发送的数据较少时，需要将数据进行填充，直到长度与消息规定长度一致。缺点是浪费带宽

• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低，需要一个一个字符地去匹配分隔符

• TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据

  （也就是在消息开头

  用一些空间存放后面数据的长度

  ），如HTTP请求头中的Content-Type与

  Content-Length

  。类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量

  • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式

下文的消息边界处理方式为第二种：按分隔符拆分

附件与扩容

Channel的register方法还有第三个参数：附件，可以向其中放入一个Object类型的对象，该对象会与登记的Channel以及其对应的SelectionKey绑定，可以从SelectionKey获取到对应通道的附件

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)Copy

可通过SelectionKey的attachment()方法获得附件

ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();Copy

我们需要在Accept事件发生后，将通道注册到Selector中时，对每个通道添加一个ByteBuffer附件，让每个通道发生读事件时都使用自己的通道，避免与其他通道发生冲突而导致问题

// 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择其中，同时设置附件
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 添加通道对应的Buffer附件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);Copy

当Channel中的数据大于缓冲区时，需要对缓冲区进行扩容操作。此代码中的扩容的判定方法：Channel调用compact方法后，的position与limit相等，说明缓冲区中的数据并未被读取（容量太小），此时创建新的缓冲区，其大小扩大为两倍。同时还要将旧缓冲区中的数据拷贝到新的缓冲区中，同时调用SelectionKey的attach方法将新的缓冲区作为新的附件放入SelectionKey中

// 如果缓冲区太小，就进行扩容
if (buffer.position() == buffer.limit()) {
    ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
    // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
    ewBuffer.put(buffer);
    // 将新buffer作为附件放到key中
    key.attach(newBuffer);
}Copy

改造后的服务器代码如下

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择其中，同时设置附件
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        // 通过key获得附件（buffer）
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        int read = channel.read(buffer);
                        if(read == -1) {
                            key.cancel();
                            channel.close();
                        } else {
                            // 通过分隔符来分隔buffer中的数据
                            split(buffer);
                            // 如果缓冲区太小，就进行扩容
                            if (buffer.position() == buffer.limit()) {
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
                                // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
                                buffer.flip();
                                newBuffer.put(buffer);
                                // 将新buffer放到key中作为附件
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
                        System.out.println("after reading...");
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void split(ByteBuffer buffer) {
        buffer.flip();
        for(int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            // 遍历寻找分隔符
            // get(i)不会移动position
            if (buffer.get(i) == '\n') {
                // 缓冲区长度
                int length = i+1-buffer.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 将前面的内容写入target缓冲区
                for(int j = 0; j < length; j++) {
                    // 将buffer中的数据写入target中
                    target.put(buffer.get());
                }
                // 打印结果
                ByteBufferUtil.debugAll(target);
            }
        }
        // 切换为写模式，但是缓冲区可能未读完，这里需要使用compact
        buffer.compact();
    }
}Copy

ByteBuffer的大小分配

• 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
• ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
• 分配思路可以参考
  • 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能
    • 参考实现 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
  • 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗

6、Write事件

服务器通过Buffer向通道中写入数据时，可能因为通道容量小于Buffer中的数据大小，导致无法一次性将Buffer中的数据全部写入到Channel中，这时便需要分多次写入，具体步骤如下

• 执行一次写操作，向将buffer中的内容写入到SocketChannel中，然后判断Buffer中是否还有数据

• 若Buffer中还有数据，则需要将SockerChannel注册到Seletor中，并关注写事件，同时将未写完的Buffer作为附件一起放入到SelectionKey中

   int write = socket.write(buffer);
  // 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
  if (buffer.hasRemaining()) {
      // 注册到Selector中，关注可写事件，并将buffer添加到key的附件中
      socket.configureBlocking(false);
      socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
  }Copy
  

• 添加写事件的相关操作key.isWritable()，对Buffer再次进行写操作

  • 每次写后需要判断Buffer中是否还有数据（是否写完）。若写完，需要移除SelecionKey中的Buffer附件，避免其占用过多内存，同时还需移除对写事件的关注

  SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
  // 获得buffer
  ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
  // 执行写操作
  int write = socket.write(buffer);
  System.out.println(write);
  // 如果已经完成了写操作，需要移除key中的附件，同时不再对写事件感兴趣
  if (!buffer.hasRemaining()) {
      key.attach(null);
      key.interestOps(0);
  }Copy
  

整体代码如下

public class WriteServer {
    public static void main(String[] args) {
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            server.configureBlocking(false);
            Selector selector = Selector.open();
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 处理后就移除事件
                    iterator.remove();
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 获得客户端的通道
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        // 写入数据
                        StringBuilder builder = new StringBuilder();
                        for(int i = 0; i < 500000000; i++) {
                            builder.append("a");
                        }
                        ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(builder.toString());
                        // 先执行一次Buffer->Channel的写入，如果未写完，就添加一个可写事件
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
                        if (buffer.hasRemaining()) {
                            // 注册到Selector中，关注可写事件，并将buffer添加到key的附件中
                            socket.configureBlocking(false);
                            socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                        }
                    } else if (key.isWritable()) {
                        SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                        // 获得buffer
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 执行写操作
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 如果已经完成了写操作，需要移除key中的附件，同时不再对写事件感兴趣
                        if (!buffer.hasRemaining()) {
                            key.attach(null);
                            key.interestOps(0);
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}Copy

7、优化

多线程优化

充分利用多核CPU，分两组选择器

• 单线程配一个选择器（Boss），专门处理 accept 事件
• 创建 cpu 核心数的线程（Worker），每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件

实现思路

• 创建一个负责处理Accept事件的Boss线程，与多个负责处理Read事件的Worker线程

• Boss线程执行的操作

  • 接受并处理Accepet事件，当Accept事件发生后，调用Worker的register(SocketChannel socket)方法，让Worker去处理Read事件，其中需要根据标识robin去判断将任务分配给哪个Worker

    // 创建固定数量的Worker
    Worker[] workers = new Worker[4];
    // 用于负载均衡的原子整数
    AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
    // 负载均衡，轮询分配Worker
    workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);Copy
    

  • register(SocketChannel socket)方法会通过同步队列完成Boss线程与Worker线程之间的通信，让SocketChannel的注册任务被Worker线程执行。添加任务后需要调用selector.wakeup()来唤醒被阻塞的Selector

    public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
        // 只启动一次
        if (!started) {
           // 初始化操作
        }
        // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
        // 在Worker线程中执行注册事件
        queue.add(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        // 唤醒被阻塞的Selector
        // select类似LockSupport中的park，wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
        selector.wakeup();
    }Copy
    

• Worker线程执行的操作

  • 从同步队列中获取注册任务，并处理Read事件

实现代码

public class ThreadsServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 当前线程为Boss线程
            Thread.currentThread().setName("Boss");
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 负责轮询Accept事件的Selector
            Selector boss = Selector.open();
            server.configureBlocking(false);
            server.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 创建固定数量的Worker
            Worker[] workers = new Worker[4];
            // 用于负载均衡的原子整数
            AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
            for(int i = 0; i < workers.length; i++) {
                workers[i] = new Worker("worker-"+i);
            }
            while (true) {
                boss.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = boss.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    // BossSelector负责Accept事件
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 建立连接
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        System.out.println("connected...");
                        socket.configureBlocking(false);
                        // socket注册到Worker的Selector中
                        System.out.println("before read...");
                        // 负载均衡，轮询分配Worker
                        workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);
                        System.out.println("after read...");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private volatile Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean started = false;
        /**
         * 同步队列，用于Boss线程与Worker线程之间的通信
         */
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue;

        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
            // 只启动一次
            if (!started) {
                thread = new Thread(this, name);
                selector = Selector.open();
                queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
                thread.start();
                started = true;
            }
            
            // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
            // 在Worker线程中执行注册事件
            queue.add(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            // 唤醒被阻塞的Selector
            // select类似LockSupport中的park，wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
            selector.wakeup();
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select();
                    // 通过同步队列获得任务并运行
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        // 获得任务，执行注册操作
                        task.run();
                    }
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    while(iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        // Worker只负责Read事件
                        if (key.isReadable()) {
                            // 简化处理，省略细节
                            SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            socket.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}Copy

四、NIO与BIO

1、Stream与Channel

• stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）

• stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用

• 二者

  均为全双工

  ，即读写可以同时进行

  • 虽然Stream是单向流动的，但是它也是全双工的

2、IO模型

• 同步

  ：线程自己去获取结果（一个线程）

  • 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果

• 异步

  ：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程）

  • 例如：线程A调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程B返回

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段

• 复制数据阶段

  

根据UNIX 网络编程 - 卷 I，IO模型主要有以下几种

阻塞IO

• 用户线程进行read操作时，需要等待操作系统执行实际的read操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作

非阻塞IO

• 用户线程

  在一个循环中一直调用read方法

  ，若内核空间中还没有数据可读，立即返回

  • 只是在等待阶段非阻塞

• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java中通过Selector实现多路复用

• 当没有事件是，调用select方法会被阻塞住
• 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

• 阻塞IO模式下，若线程因accept事件被阻塞，发生read事件后，仍需等待accept事件执行完成后，才能去处理read事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

异步IO

• 线程1调用方法后理解返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
• 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1

3、零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，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 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

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);Copy

内部工作流如下

• Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU

  DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO

• 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA

• 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝

• 接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10)

  • 底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存

• ByteBuffer.

  allocateDirect

  (10)

  • 底层对应DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
    • 当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存
    • DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化1

以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

这种方法下

• 只发生了1次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化2

linux 2.4 对上述方法再次进行了优化

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

整个过程仅只发生了1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次

4、AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

利用 DMA

• 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝

• 接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10)

  • 底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存

• ByteBuffer.

  allocateDirect

  (10)

  • 底层对应DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

[外链图片转存中…(img-9ESPcWx9-1703316919910)]

大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
    • 当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存
    • DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化1

以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

[外链图片转存中…(img-JPGxZs6p-1703316919911)]

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

这种方法下

• 只发生了1次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化2

linux 2.4 对上述方法再次进行了优化

[外链图片转存中…(img-Cj1e5mVp-1703316919911)]

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

整个过程仅只发生了1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次

4、AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势