本篇主要介绍NIO中的三大组件：Channel、Buffer、Selector的理论知识

1、NIO基本概念

        NIO（non-blocking io 或 new io）区别于传统IO，是一种面向缓冲区的非阻塞IO操作，在传统IO中，数据是以字节或字符为单位从流中顺序读写，并且所有的读写操作都是阻塞的。例如，当一个线程调用read()方法时，该线程会被阻塞，直到数据被读入或发生错误。

        NIO相比于传统的IO有以下的特点和优势：

• 非阻塞IO： NIO允许通道在非阻塞模式下工作，这意味着一个线程可以发起IO操作而不必等待操作完成，从而使得同一个线程可以同时处理多个IO操作。

• 面向缓冲区： NIO通过缓冲区进行数据的读写操作，而不是直接操作流。这种方式更接近底层操作系统的IO模型，能够提高效率。

• 多路复用： 通过选择器，一个线程可以监控多个通道的IO事件，如连接请求、读写数据等。这种机制使得NIO非常适合于实现高性能的服务器和网络应用。

        NIO又包含了三大组件：

        缓冲区（Buffer）：

        缓冲区是一个容器对象，用于包含特定基本类型的数据。所有的数据都通过缓冲区进行读写操作。常见的缓冲区类型包括：

• ByteBuffer：字节缓冲区
• CharBuffer：字符缓冲区
• IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer：对应于其他基本数据类型的缓冲区

        缓冲区的核心属性包括：

• Capacity：缓冲区能容纳的数据元素的总数
• Position：下一个要读取或写入的元素的位置
• Limit：写入/读取限制
• Mark：一个备忘位置，通过reset()方法可以恢复到这个位置

        通道（Channel）：

        通道类似于传统IO中的流（Stream），但不同的是，通道可以进行双向操作（既可以读也可以写）。通道用于从数据源（如文件、网络套接字）读数据或将数据写入到数据源。

• 通道可以进行异步读写
• 通道可以与缓冲区直接交互
• 通道可以映射到文件、网络套接字等

        常见的通道类型包括：

• FileChannel：用于文件的通道
• SocketChannel：用于TCP连接的通道
• ServerSocketChannel：用于监听TCP连接的通道
• DatagramChannel：用于UDP连接的通道

        选择器（Selector）：

        选择器是Java NIO的核心组件之一，用于管理多个通道的IO事件。通过选择器，一个线程可以处理多个通道的读写事件，从而实现高效的多路复用，如果使用传统的IO：

        假设每个socket连接都要通过新创建一个线程去处理，第一随着连接数的增加，线程的数量势必也会不断增加，第二，如果线程数量大于cpu核心数，会频繁发生上下文切换问题，很影响性能。

        如果采用线程池的方式改进，一个线程可以服务多个socket连接，但是如果在阻塞模式下，线程依旧仅能处理一个 socket 连接。例如一个餐馆服务员面对A，B两个客人，A一直在看菜单，服务员无法利用这段时间去兼顾B。                

2、传统IO面向流和NIO面向缓冲区的区别

        首先面向流是一种逐个字节或字符处理的思想：

        数据是按顺序一个字节一个字节地读取或写入的，像流水一样。处理时不关心数据的整体，只关注当前读取或写入的字节。

        并且读写操作是阻塞的，一个读写操作没有完成，当前线程会一直等待。例如，当你从一个输入流中读取数据时，线程会被阻塞，直到数据被完全读取。

        而面向缓冲区是一种数据块处理的思想：

        数据通过缓冲区（Buffer）批量读取或写入。缓冲区是内存中的一个块，数据在缓冲区中处理，然后通过通道（Channel）整体读入或写出。

        通道可以配置为非阻塞模式，允许线程在数据还未准备好时继续执行其他操作。例如，使用选择器（Selector）来管理多个通道，一个线程可以处理多个连接。

3、通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的联系

        缓冲区在读写操作过程中会维护三个关键属性：position（指针）、limit（限制）和capacity（容量）。        

• position：指示下一个要读取或写入的元素位置。
• limit：在读模式下，limit表示缓冲区可读数据的大小；在写模式下，limit表示缓冲区总的容量。
• capacity：缓冲区的总大小，在缓冲区创建时设定，不可改变。（不同于集合，没有扩容机制）

        在获取缓冲区实例时，通常需要指定容量，假设我们指定的容量是10：

        然后向缓冲区放入了4个字节的数据：

        通过filp方法切换至读取模式，此时position指针代表的是当前从索引为几的地方开始读，limit也变成了可以最多读取多少个元素。

        在读取了4个字节后：

        最后调用clear方法切换回写入模式：（clear会清除所有元素）

        compact方法是将未读完的元素向前压缩，然后切换至写模式

        那么数据是如何在通道和缓冲区之间进行读写操作的呢？

        读操作：当从通道读取数据时，数据被读入到缓冲区中。

1. 调用通道的read方法，将数据从通道读取到缓冲区。
2. 使用缓冲区的filp方法切换到读取模式。
3. 从缓冲区中读取数据。

        写操作：当向通道写入数据时，数据从缓冲区写入到通道中。

1. 将数据放入缓冲区。
2. 使用缓冲区的clear() 或 compact() 方法切换到写入模式。
3. 调用通道的write方法，将数据从缓冲区写入到通道。

        总结：

• 通道是数据传输的载体，负责从数据源读取数据或将数据写入数据源。
• 缓冲区是数据的临时存储区，用于存放从通道中读入的数据或将要写入通道的数据。

4、选择器（Selector）是如何实现多路复用

        在学习选择器（Selector）是如何实现多路复用前，首先需要了解一下什么是多路复用：

        使用一个单独的线程同时处理多个I/O操作，而不需要为每个I/O流创建单独的线程或进程，其关键点在于，通过在一个线程中管理多个连接，避免线程创建和上下文切换的开销，并且系统监视多个I/O流，当某个流就绪时（如有数据可读、可以写入等），会通知应用程序处理这个流上的I/O事件。同时/O操作不会阻塞进程或线程，可以同时处理多个I/O请求。

        选择器（Selector）实现多路复用，一般需要分为以下几步：

1. 将通道（Channel）配置为非阻塞模式，然后注册到选择器上，注册时需要指定需要被监视的事件类型，如连接事件、读事件、写事件。
2. 选择器通过select()方法轮询已注册通道的I/O事件。select()方法会阻塞，直到至少有一个通道准备好进行I/O操作（如有数据可读）。一旦有通道就绪，选择器返回已就绪通道的集合，这些通道可以进行I/O操作。
3. 程序通过迭代已就绪通道的集合，逐个处理每个通道的I/O事件。
4. 根据通道的事件类型（如读就绪、写就绪），执行相应的I/O操作。

        在第一步中，所有通道都被配置为非阻塞模式，这意味着I/O操作不会阻塞线程。如果通道当前没有数据可读或不能写入，操作会立即返回而不会阻塞。

        在第二步中，选择器使用事件通知机制，监视所有注册通道的状态。当一个或多个通道的状态发生变化（如有数据可读），选择器会通知应用程序。

什么是事件通知机制？

简单来说，每个注册通道在选择器中都有一个对应的键（SelectionKey），键中记录了通道和事件类型，选择器内部维护一个键集合（Key Set），包含所有注册通道的键和事件类型，选择器在轮询时更新键集合，将就绪通道的键放入已就绪键集合（Ready Key Set）。这样选择器在每次轮询时，只处理已就绪通道的I/O事件，未就绪通道不做处理。