NIO核心之Channel,Buffer和Selector简介

在NIO的API中，Channel就是实现非阻塞的组件，而事件分发(Dispatcher)使用的是Selector组件，在传统的I/O流(Stream)是有方向的，而NIO支持双向读写，这样就需要将流中的数据读取到某个缓冲组件里，即Buffer组件.Buffer组件还有个特殊的实现DirectByteBuffer, 可以申请堆外内存，关于为什么要申请堆外内存后续会谈。

一、Channel（`对比于原生的javaAPI，channel是可以双向的通道`）

Channel是NIO中用来实现非阻塞数据操作的桥梁，笔者猜测是借鉴的Berkly Socket的设计，代表某种通道，和I/O Stream只支持读或者写(单向)不一样，Channel同时支持读和写, 但是只能读和写到Buffer中，因为，支持了非阻塞，读出的数据要找个地方临时存放.

Channel主要实现有:

SocketChannel (服务端，客户端都能用)

ServerSocketChannel （TCP，服务端专用）

DatagramChannel (UDP)

FileChannel

基本类图如下:

以上Channel涵盖了文件，TCP, UDP网络的支持, 也是我们用的最多的。

Channel都不是手动new出来的,基本都是用静态方法Open出来的，或者从BIO的Stream里封装得到的(本质上也是调用某Channel的open方法)。

比如使用FileChannel来读写文件的一个例子:

/*** 测试FileChannel模拟传统IO用竹筒多次取水的过程* * @author sound2gd**/
public class FileChannelTest2 {public static void main(String[] args) throws Exception{FileInputStream sr = new FileInputStream("src/com/cris/chapter15/f6/FileChannelTest2.java");FileChannel fc = sr.getChannel();ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocate(256);//创建Charset对象Charset charset = Charset.forName("UTF-8");CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();while((fc.read(bf))!=-1){//锁定Buffer的空白区bf.flip();//转码CharBuffer cbuff = decoder.decode(bf);System.out.print(cbuff);//buffer初始化，用于下一次读取bf.clear();}}
}

用法还是比较简单的，从Channel读数据到Buffer用read, 从Buffer写数据到Channel用write这里的FileChannel就是从FileInputStream上得到的, 查看其源码:

public FileChannel getChannel() {synchronized (this) {if (channel == null) {channel = FileChannelImpl.open(fd, path, true, false, this);}return channel;}
}

可以看到，还是调用了FileChannelImpl的open方法

Scatter && Gather

上面的类图还可以看到ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel,它们分别代表Scatter和Gather操作

Scatter是分散操作，可以将一个Channel里的数据读取到多个Buffer

Gather是聚合操作，可以将多个Buffer的数据读取到一个Channel

在网络编程中这俩是常用操作，比如http协议的解析通常会将header和body分散到俩Buffer,方便后续处理。Scatter和Gather的细节限于篇幅不展开叙述，感兴趣的读者可以自行了解

二、 Buffer

Buffer是一个容器，本质上就是一个数组.用于接受从Channel里传过来的数据
Buffer的实现常见有:

看名字就知道是存放什么类型数据的Buffer.
Buffer的创建时通过Buffer类的静态方法来创建的。 Buffer有三个核心概念:

position:位置，用于指明下一个可以被读出的或者写入的缓冲区位置索引

limit:界限，第一个不应该被读出或者写入的缓冲区位置索引

capacity:容量，创建后不能改变

Buffer类有一个实例方法:flip()。其作用是将limit设置为position所在的位置，然后将position置为0 ，这就使得Buffer的读写指针又回到了开始位置。 clear()方法就是将position置为0，limit置为capacity.
为啥要有这种操作？因为Buffer是支持读和写的，写完了给别的地方用就要flip, 免得数据处理出错
下面以CharBuffer为例举个简单的例子

public static void main(String[] args) {// 创建BufferCharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);System.out.println("buffer的容量:" + buffer.capacity());System.out.println("buffer的位置:" + buffer.position());System.out.println("buffer的界限:" + buffer.limit());buffer.put('s');buffer.put('o');buffer.put('u');buffer.put('n');buffer.put('d');System.out.println("加入5个元素后position:" + buffer.position());// 调用flipbuffer.flip();System.out.println("buffer的容量:" + buffer.capacity());System.out.println("buffer的位置:" + buffer.position());System.out.println("buffer的界限:" + buffer.limit());// 取出第一个元素System.out.print("buffer中的元素:" + buffer.get());while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print(buffer.get());}System.out.println();System.out.println("取出第一个元素后position=" + buffer.position());// 调用clearbuffer.clear();System.out.println("第3个元素" + buffer.get(2));}

输出结果请读者自行理解下

DirectByteBuffer

上面还有个特殊的类，就是这个DirectByteBuffer, 这个是有名的冰山对象，分配DirectByteBuffer的时候，JVM是申请一块直接内存(堆外), 然后地址关联到DirectByteBufer里的address。它的回收器sun.misc.Cleaner使用的是虚引用, 当DirectByteBuffer被回收的时候，其关联的堆外内存也会使用Unsafe释放掉。虽然在DireactByteBuffer堆内占用内存少，但是可能关联一块非常大的堆外内存，和冰山一样，所以称为冰山对象。后面还会对DirectByteBuffer进行解析，这个是NIO的一个重要feature之一

三、Selector

Selector是NIO中用来实现事件分发的组件,受AWT线程的启发，用于接收I/O事件并分发到合适的处理器。

Selector底层使用的依然是操作系统的select,poll和epoll系统调用，支持使用一个线程来监听多个fd的I/O事件,也即前面讲的I/O多路复用模型.

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 有三个SelectionKey集合

所有的SelectionKey集合，代表了注册在该Selector上的Channel。

被选择的SelectionKey集合:代表了所有可以通过select 方法获取的，需要进行IO处理的Channel。

被取消的SelectionKey集合：代表了所有被取消注册关系的Channel,在下次执行select方法时。这些Channel对应的SelectKey会被彻底删除

SelectableChannel代表可以支持非阻塞IO操作的Channel对象，它可以被注册到Selector上，这种注册关系由SelectionKey实例表示

下面举个聊天室的例子

import java.net.InetAddress;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;/*** 使用NIO来实现聊天室*/
public class NServer {// 用于检测所有Channel状态的selectorprivate Selector selector = null;// 定义实现编码，解码的字符集对象private Charset charset = StandardCharsets.UTF_8;public void init() throws Exception {selector = Selector.open();//通过open方法来打开一个未绑定的ServerSocketChannel实例ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);// 绑定到指定地址server.bind(isa);// 设置以非阻塞的方式工作server.configureBlocking(false);// 将Server注册到指定的Selector对象server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (selector.select() > 0) {// 依次处理selector上的已选择的SelectionKeyfor (SelectionKey sk : selector.selectedKeys()) {//从selector上的已选择key集中删除正在处理的SelectionKeyselector.selectedKeys().remove(sk);//如果sk对应的Channel包含客户端的连接请求if (sk.isAcceptable()) {//调用accept方法接受此连接,产生服务器端的SocketChannelSocketChannel accept = server.accept();//采用非阻塞模式accept.configureBlocking(false);//将该SocketChannel注册到selectoraccept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//将sk对应的Channel设置成准备接受其他请求sk.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);}// 如果sk对应的Channel有数据需要读取if (sk.isReadable()) {// 获取该SelctionKey对应的Channel,该Channel有可读的数据SocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();//定义准备执行读取数据的ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);String content = "";//开始读取数据try {while (channel.read(buffer) > 0) {buffer.flip();content += charset.decode(buffer);}//打印从该SK对应的Channel读取到的数据System.out.println("读取的数据" + content);//将sk对应的channel设置成准备下一次读取sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);} catch (Exception e) {//如果捕获到了该SK对应的Channel出现了异常，即表明//该Channel对应的Client出现了问题，所以从selctor中取消该Sk的注册sk.cancel();if (sk.channel() != null) {sk.channel().close();}}//如果content的长度大于0,即聊天信息不为空，if (content.length() > 0) {//遍历该selecor里注册的所有SelectionKeyfor (SelectionKey key : selector.keys()) {//获取该key对应的channelSelectableChannel target = key.channel();//如果该Channel是SocketChannel对象if (target instanceof SocketChannel) {// 将读取到的内容写入该channel中SocketChannel dest = (SocketChannel) target;dest.write(charset.encode(content));}}}}}}}public static void main(String[] args) {try {new NServer().init();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

使用nc localhost 8888就可以测试了，多开几个终端以模拟多个客户端。

这个例子里使用了ServerSocketChannel，类似于BIO中ServerSocket,用于监听某个地址和端口, 是TCP服务端的代表.同时还可以看到accept之后得到了一个SocketChannel, 代表一个TCP socket通道.

我们均使用了非阻塞模式, 在read的时候如果读取的数据不够，也不会阻塞调用线程。

总结

本文介绍了NIO的核心Channel, Buffer和Selector，它们的设计意图和解决的问题,同时举了些简单的例子来说明用法。NIO的根本还是I/O多路复用, 操作系统告诉你哪个fd可读可写，内核帮你做了Event Loop,比在应用层用户空间做无疑是提升了太多的。
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