【深入理解Java IO流0x09】解读Java NIO核心知识（下篇）

news2024/12/23 18:05:22

1. NIO简介

在开始前，让我们再简单回顾一下NIO。
在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。也就是说，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。
为了解决这个问题，在 Java1.4 版本引入了一种新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也称为 Non-blocking IO） 。NIO 弥补了同步阻塞 I/O 的不足，它在标准 Java 代码中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的 I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了 I/O 效率和并发。
image.png
⚠️需要注意：使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO 。

2. NIO核心组件

NIO 主要包括以下三个核心组件：

  • Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
  • Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
  • Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。

三者的关系：
image.png
我们都知道，BIO是以流的方式来处理数据的，而NIO是以Buffer缓冲器和Channel通道配合来处理数据的。简单来说就是，不妨把buffer类比为火车，那么channel就是铁路，NIO就是通过channel通道运输着存储数据的buffer来实现数据处理。buffer和channel各司其职，channel不与数据打交道，只负责运输。
BIO中，流的单向的。但是对于NIO，基于channel的概念，我们的读写都是双向的。
下面我们一个一个来看NIO的组件。

3. 缓冲区Buffer

Buffer是缓冲器的抽象类：
image.png
Buffer的实现类中，我们用的最多的就是ByteBuffer了，它可以用来存储和操作字节数据。
作为一个缓冲区，最重要的功能就是写数据进去和从里面拿数据，也就是put方法和get方法。在具体看之前，我们先看一下Buffer类中定义的四个成员变量，具体含义见注释：

// 大小关系: 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

// Buffer允许将位置直接定位到该标记处，这是一个可选属性
private int mark = -1;
// 下一个可以被读写的数据的位置（索引）。
// 从写操作模式到读操作模式切换的时候(flip)，position归零，这样就可以从头读写
private int position = 0;
// Buffer 中可以读/写数据的边界。
// 写模式下，limit代表最多能写入的数据，一般等于capacity(可以通过limit(int newLimit)方法设置)；
// 读模式下，limit 等于Buffer中实际写入的数据大小。
private int limit;
// Buffer可以存储的最大数据量，Buffer创建时设置且不可改变.
private int capacity;

Buffer 有读模式和写模式这两种模式，分别用于从Buffer中读取数据或者向Buffer中写入数据。Buffer被创建之后默认是写模式，调用flip()可以切换到读模式。如果要再次切换回写模式，可以调用clear()或者compact()方法。
image.png
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image.png
Buffer 对象不能通过 new 调用构造方法创建对象 ，只能通过静态方法实例化 Buffer。
这里以 ByteBuffer为例进行介绍：

// 分配堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);

Buffer 最核心的两个方法：

  • get: 读取缓冲区的数据
  • put：向缓冲区写入数据

除上述两个方法之外，其他的重要方法：

  • flip：将缓冲区从写模式切换到读模式，它会将 limit 的值设置为当前 position 的值，将 position 的值设置为 0。
  • clear: 清空缓冲区，将缓冲区从读模式切换到写模式，并将 position 的值设置为 0，将 limit 的值设置为 capacity 的值。
  • …

来看个实战：

import java.nio.*;

public class CharBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配一个容量为8的CharBuffer
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        System.out.println("初始状态：");
        printState(buffer);

        // 向buffer写入3个字符
        buffer.put('a').put('b').put('c');
        System.out.println("写入3个字符后的状态：");
        printState(buffer);

        // 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3
        buffer.flip();
        System.out.println("调用flip()方法后的状态：");
        printState(buffer);

        // 读取字符
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print(buffer.get());
        }

        // 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值
        buffer.clear();
        System.out.println("调用clear()方法后的状态：");
        printState(buffer);

    }

    // 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置
    private static void printState(CharBuffer buffer) {
        System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());
        System.out.print(", limit: " + buffer.limit());
        System.out.print(", position: " + buffer.position());
        System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());
        System.out.println("\n");
    }
}

---------------------------------------------------------------
output：
初始状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0

写入3个字符后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 3

准备读取buffer中的数据！

调用flip()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 3, position: 0

读取到的数据：abc

调用clear()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0

画个图方便大家理解：
image.png

4. 通道Channel

Channel 通道只负责传输数据、不直接操作数据。操作数据都是通过 Buffer 缓冲区来进行操作！通常，通道可以分为两大类：文件通道和套接字通道。

  • FileChannel：用于文件 I/O 的通道，支持文件的读、写和追加操作。FileChannel 允许在文件的任意位置进行数据传输，支持文件锁定以及内存映射文件等高级功能。FileChannel 无法设置为非阻塞模式，因此它只适用于阻塞式文件操作。
  • SocketChannel：用于 TCP 套接字 I/O 的通道。SocketChannel 支持非阻塞模式，可以与 Selector（下文会讲）一起使用，实现高效的网络通信。SocketChannel 允许连接到远程主机，进行数据传输。
  • ServerSocketChannel：用于监听 TCP 套接字连接的通道。与 SocketChannel 类似，ServerSocketChannel 也支持非阻塞模式，并可以与 Selector 一起使用。ServerSocketChannel 负责监听新的连接请求，接收到连接请求后，可以创建一个新的 SocketChannel 以处理数据传输。
  • DatagramChannel：用于 UDP 套接字 I/O 的通道。DatagramChannel 支持非阻塞模式，可以发送和接收数据报包，适用于无连接的、不可靠的网络通信。

因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。
Channel 最核心的两个方法：

  1. read ：读取数据并写入到 Buffer 中。
  2. write ：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

这里我们以 FileChannel 为例演示一下如何复制文件：

@Test
public void test007() throws IOException{
    FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("test.txt"),StandardOpenOption.READ);
    FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("test_nio.txt"),StandardOpenOption.WRITE,
            StandardOpenOption.CREATE);

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    while(readChannel.read(buffer)!=-1){
        buffer.flip();
        writeChannel.write(buffer);
        buffer.clear();
    }
    readChannel.close();
    writeChannel.close();
}

5. 选择器Selector

Selector（选择器）是 NIO 中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行相应的 I/O 操作。
image.png
一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了epoll()代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
Selector 可以监听以下四种事件类型：

  1. SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel
  2. SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel
  3. SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读
  4. SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。

Selector是抽象类，可以通过调用此类的open()静态方法来创建Selector实例。Selector可以同时监控多个SelectableChannel的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。
一个Selector实例有三个SelectionKey集合：

  1. 所有的SelectionKey集合：代表了注册在该Selector上的Channel，这个集合可以通过keys()方法返回。
  2. 被选择的SelectionKey集合：代表了所有可通过select()方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过selectedKeys()返回。
  3. 被取消的SelectionKey集合：代表了所有被取消注册关系的Channel，在下一次执行select()方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。

简单看一下如何遍历被选择的SelectionKey集合并进行处理：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一个新连接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一个新连接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有准备好的数据，可以读取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

Selector 还提供了一系列和select()相关的方法：

  • int select()：监控所有注册的 Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时，该方法返回，并将对应的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
  • int select(long timeout)：可以设置超时时长的 select() 操作。
  • int selectNow()：执行一个立即返回的 select() 操作，相对于无参数的 select() 方法而言，该方法不会阻塞线程。
  • Selector wakeup()：使一个还未返回的 select() 方法立刻返回。
  • ……

来看一个使用Selector实现网络读写的简单demo：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorExample {

  public static void main(String[] args) {
    try {
      ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
      serverSocketChannel.configureBlocking(false);
      serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

      Selector selector = Selector.open();
      // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
      serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

      while (true) {
        int readyChannels = selector.select();

        if (readyChannels == 0) {
          continue;
        }

        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

        while (keyIterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = keyIterator.next();

          if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接事件
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = client.read(buffer);

            if (bytesRead > 0) {
              buffer.flip();
              System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
              // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
              client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (bytesRead < 0) {
              // 客户端断开连接
              client.close();
            }
          } else if (key.isWritable()) {
            // 处理写事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
            client.write(buffer);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          }

          keyIterator.remove();
        }
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听 8080 端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 “Hello, Client!”。

6. NIO零拷贝

零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ等消息队列都用到了零拷贝。
零拷贝（Zero-Copy）是一种优化数据传输性能的技术，它最大限度地减少了在数据传输过程中的 CPU 和内存开销。在传统的数据传输过程中，数据通常需要在用户空间和内核空间之间进行多次拷贝，这会导致额外的 CPU 和内存开销。零拷贝技术通过避免这些多余的拷贝操作，实现了更高效的数据传输。
下图为零拷贝技术对比图：

CPU拷贝DMA拷贝系统调用上下文切换
传统方法22read+write4
mmap+write12mmap+write4
sendfile12sendfile2
sendfile+DMA gather copy02sendfile2

可以看出，无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。
Java对零拷贝的支持：

  • MappedByteBuffer是 NIO 基于内存映射（mmap）这种零拷贝方式的提供的⼀种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的 mmap 系统调用。它可以将一个文件或者文件的一部分映射到内存中，形成一个虚拟内存文件，这样就可以直接操作内存中的数据，而不需要通过系统调用来读写文件。
  • FileChannel的transferTo()/transferFrom()是 NIO 基于发送文件（sendfile）这种零拷贝方式的提供的一种实现，底层实际是调用了 Linux 内核的 sendfile系统调用。它可以直接将文件数据从磁盘发送到网络，而不需要经过用户空间的缓冲区。

7. 总结

这篇文章我们主要介绍了 NIO 的核心知识点，包括 NIO 的核心组件和零拷贝。如果我们需要使用 NIO 构建网络程序的话，不建议直接使用原生 NIO，编程复杂且功能性太弱，推荐使用一些成熟的基于 NIO 的网络编程框架比如 Netty。Netty 在 NIO 的基础上进行了一些优化和扩展比如支持多种协议、支持 SSL/TLS 等等。

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