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non-blocking io 非阻塞 IO

1.三大组件

1.1.Channel & Buffer

（1）channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层。

常见的 Channel 有

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

（2）buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有：

• ByteBuffer（常用）
  • MappedByteBuffer
  • DirectByteBuffer
  • HeapByteBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• CharBuffer

1.2.Selector

selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途。

1.2.1.多线程版设计

⚠️ 多线程版缺点

• 内存占用高
• 线程上下文切换成本高
• 只适合连接数少的场景

1.2.2.线程池版设计

⚠️ 线程池版缺点

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接
• 仅适合短连接场景

1.2.3.selector 版设计

（1）selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景 (low traffic)。

（2）调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理。

“没有什么是加一层不能解决的，如果有，那就再加一层！”

2.ByteBuffer

（1）入门案例：channel 和 bytebuffer 的基本使用。有一位于当前项目根目录下的普通文本文件 data.txt，内容如下：

1234567890abcd

使用 FileChannel 来读取文件内容

package cn.itcast.netty.c1;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;@Slf4j
public class TestByteBuffer {public static void main(String[] args) {try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);do {// 从 channel 读取数据，并向 buffer 写入int len = channel.read(buffer);log.debug("读到字节数：{}", len);if (len == -1) {break;}// 切换 buffer 读模式buffer.flip();while(buffer.hasRemaining()) {log.debug("{}", (char)buffer.get());}// 切换 buffer 写模式buffer.clear();} while (true);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

输出结果如下：

19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 读到字节数：10
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 1
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 2
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 3
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 4
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 5
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 6
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 7
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 8
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 9
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 0
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 读到字节数：4
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - @
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - a
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - b
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - c
19:10:06 [DEBUG] [main] c.i.n.c.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1

（2）上述代码中使用到的 logback 的配置如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configurationxmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd"><!-- 输出控制，格式控制--><appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender"><encoder><pattern>%date{HH:mm:ss} [%-5level] [%thread] %logger{17} - %m%n </pattern></encoder></appender><!-- 用来控制查看那个类的日志内容（对mybatis name 代表命名空间） --><logger name="cn.itcast" level="DEBUG" additivity="false"><appender-ref ref="STDOUT"/></logger><logger name="io.netty.handler.logging.LoggingHandler" level="DEBUG" additivity="false"><appender-ref ref="STDOUT"/></logger><root level="ERROR"><appender-ref ref="STDOUT"/></root>
</configuration>

（3）上述代码所处的 maven 项目的 pom.xml 配置如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"><modelVersion>4.0.0</modelVersion><groupId>org.example</groupId><artifactId>netty-demo</artifactId><version>1.0-SNAPSHOT</version><properties><maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source><maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target></properties><dependencies><dependency><groupId>io.netty</groupId><artifactId>netty-all</artifactId><version>4.1.42.Final</version></dependency><dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><version>1.16.18</version></dependency><dependency><groupId>com.google.code.gson</groupId><artifactId>gson</artifactId><version>2.8.5</version></dependency><dependency><groupId>com.google.guava</groupId><artifactId>guava</artifactId><version>19.0</version></dependency><dependency><groupId>ch.qos.logback</groupId><artifactId>logback-classic</artifactId><version>1.2.3</version></dependency><dependency><groupId>com.google.protobuf</groupId><artifactId>protobuf-java</artifactId><version>3.11.3</version></dependency></dependencies>
</project>

2.1.ByteBuffer 使用方式

1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
2. 调用 flip() 切换至读模式
3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
5. 重复 1~4 步骤

2.2.ByteBuffer 结构

2.2.1.ByteBuffer 的属性

（1）ByteBuffer 有以下重要属性：

• capacity：容量
• position：读写下标
• limit：读写限制

（2）具体操作过程如下：

一开始

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制

读取 4 个字节后，状态

clear 动作发生后，状态

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

2.2.2.调试工具类

package cn.itcast.netty.c1;import io.netty.util.internal.StringUtil;
import java.nio.ByteBuffer;
import static io.netty.util.internal.MathUtil.isOutOfBounds;
import static io.netty.util.internal.StringUtil.NEWLINE;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 paddingsfor (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(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 conversionfor (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);}// Generate the lookup table for byte dump paddingsfor (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 conversionfor (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 (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("         +-------------------------------------------------+" +NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +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 dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + 16;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(" |");// ASCII dumpfor (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 dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(HEXPADDING[remainder]);dump.append(" |");// Ascii dumpfor (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(BYTEPADDING[remainder]);dump.append('|');}dump.append(NEWLINE +"+--------+-------------------------------------------------+----------------+");}private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);} else {dump.append(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);}
}

2.2.3.使用调试工具类

package cn.itcast.netty.c1;import java.nio.ByteBuffer;
import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugAll;public class TestByteBufferReadWrite {public static void main(String[] args) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);buffer.put((byte) 0x61);    // 'a'debugAll(buffer);buffer.put(new byte[]{0x62, 0x63, 0x64});   // 'b', 'c', 'd'debugAll(buffer);// 如果不切换为读模式，那么直接读取的数据是错误的// System.out.println(buffer.get());buffer.flip();System.out.println(buffer.get());debugAll(buffer);buffer.compact();debugAll(buffer);buffer.put(new byte[]{0x65, 0x66});   // 'e', 'f'debugAll(buffer);}
}

结果输出如下：

+--------+-------------------- 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.........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [10]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00                   |abcd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
97
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [4]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00                   |abcd......      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+Process finished with exit code 0

2.3.ByteBuffer 常见方法

2.3.1.分配空间

（1）可以使用 allocate 方法或者 allocateDirect 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法。

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);
Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(16);

（2）上述两种分配方法的区别：

package cn.itcast.netty.c1;import java.nio.ByteBuffer;public class TestByteBufferAllocate {public static void main(String[] args) {System.out.println(ByteBuffer.allocate(16).getClass());System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(16).getClass());}
}

结果如下：

class java.nio.HeapByteBuffer
class java.nio.DirectByteBuffer

① allocate 方法分配的是 Java 堆内存，并且由于收到 GC 的影响，其读写效率较低；
② allocateDirect 方法分配的是直接内存，其不会收到 GC 的影响，读写效率高（少一次拷贝），但是分配的效率较低；

具体细节后面会详细介绍。

2.3.2.向 buffer 写入数据

向 buffer 写入数据有以下两种办法：

• 调用 channel 的 read 方法
• 调用 buffer 自己的 put 方法

int readBytes = channel.read(buf);buf.put((byte)127);

2.3.3.从 buffer 读取数据

从 buffer 读取数据同样有两种办法

• 调用 channel 的 write 方法
• 调用 buffer 自己的 get 方法

int writeBytes = channel.write(buf);byte b = buf.get();

get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据

• 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
• 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针

2.3.4.mark 和 reset

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

注意

rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

package cn.itcast.netty.c1;import java.nio.ByteBuffer;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugAll;public class TestBufferRead {public static void main(String[] args) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);buffer.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});buffer.flip();// rewind:从头开始读buffer.get(new byte[4]);debugAll(buffer);buffer.rewind();System.out.println((char) buffer.get());/*mark & resetmark:做一个标记，记录 position 的位置reset:将 position 重置到 mark 的位置(类似于存档-读档操作)*/System.out.println((char) buffer.get());System.out.println((char) buffer.get());buffer.mark();  //在索引为 2 的位置加标记System.out.println((char) buffer.get());System.out.println((char) buffer.get());buffer.reset(); //将 position 重置到索引 2System.out.println((char) buffer.get());System.out.println((char) buffer.get());// get(i):不改变 position，就是按照索引读取System.out.println((char) buffer.get(2));debugAll(buffer);}
}

2.3.5.字符串与 ByteBuffer 互转

package cn.itcast.netty.c1;import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.StandardCharsets;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugAll;public class TestByteBufferString {public static void main(String[] args) {//字符串转为 ByteBuffer//1.ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);buffer1.put("hello".getBytes());debugAll(buffer1);//2. CharsetByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");debugAll(buffer2);//3. wrapByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());debugAll(buffer3);//ByteBuffer 转为字符串String str1 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();System.out.println(str1);   // hellobuffer1.flip();String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();System.out.println(str2);   // hello}
}

结果如下：

+--------+-------------------- 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...........|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- 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           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- 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
hello

Buffer 是非线程安全的

2.4 Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件 3parts.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer。

package cn.itcast.netty.c1;import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugAll;public class TestScatteringReads {public static void main(String[] args) {try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words.txt", "r").getChannel()) {ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);channel.read(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});b1.flip();b2.flip();b3.flip();debugAll(b1);debugAll(b2);debugAll(b3);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

结果如下：

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6f 6e 65                                        |one             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 77 6f                                        |two             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 72 65 65                                  |three           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

2.5 Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel

package cn.itcast.netty.c1;import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;public class TestGatheringWrites {public static void main(String[] args) {ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

words2.txt 中的内容如下：

helloworld你好

2.6 练习

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 来进行分隔，但是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 zhangsan\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)

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

现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据

package cn.itcast.netty.c1;import java.nio.ByteBuffer;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugAll;public class TestByteBufferExam {public static void main(String[] args) {ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);//                     11            24source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());split(source);source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());split(source);}private static void split(ByteBuffer source) {source.flip();int oldLimit = source.limit();for (int i = 0; i < oldLimit; i++) {if (source.get(i) == '\n') {System.out.println(i);ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());// 0 ~ limitsource.limit(i + 1);target.put(source); // 从source 读，向 target 写debugAll(target);source.limit(oldLimit);}}source.compact();}
}

结果如下：

11
+--------+-------------------- 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.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
24
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 27 6d 20 7a 68 61 6e 67 73 61 6e 0a          |I'm zhangsan.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
12
+--------+-------------------- 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?.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
18
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [6]+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 61 68 61 21 0a                               |haha!.          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

3.文件编程

3.1.FileChannel

⚠️ FileChannel 工作模式
FileChannel 只能工作在阻塞模式下。

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
会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾

int readBytes = channel.read(buffer);

写入
写入的正确方式如下， SocketChannel

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式while(buffer.hasRemaining()) {channel.write(buffer);
}

在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel

关闭
channel 必须关闭，不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close() 会间接地调用 channel 的 close()

位置
获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

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

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）

大小
使用 size 方法获取文件的大小

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。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

3.2.两个 Channel 传输数据

String FROM = "helloword/data.txt";
String TO = "helloword/to.txt";
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();) {from.transferTo(0, from.size(), to);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("transferTo 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);

输出

transferTo 用时：8.2011

超过 2G 大小的文件传输

public class TestFileChannelTransferTo {public static void main(String[] args) {try (FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();) {// 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化long size = from.size();// left 变量代表还剩余多少字节for (long left = size; left > 0; ) {System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);left -= from.transferTo((size - left), left, to);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

实际传输一个超大文件

position:0 left:7769948160
position:2147483647 left:5622464513
position:4294967294 left:3474980866
position:6442450941 left:1327497219

3.3.Path

jdk7 引入了 Path 和 Paths 类：

• 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 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txtPath source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了  d:\1.txtPath source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了  d:\1.txtPath projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了  d:\data\projects

• . 代表了当前路径
• .. 代表了上一级路径

例如目录结构如下所示：

d:|- data|- projects|- a|- b

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

输出结果如下：

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

3.4.Files

检查文件是否存在

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

创建一级目录

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

• 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);

拷贝文件

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

• 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);

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);

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

删除文件

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

• 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);

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

遍历目录文件

package cn.itcast.netty.c1;import java.io.IOException;
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class TestFilesWalkFileTree {public static void main(String[] args) throws IOException {Path path = Paths.get("D:\\software\\JDK\\JDK8");AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs)throws IOException, IOException {System.out.println(dir);dirCount.incrementAndGet();return super.preVisitDirectory(dir, attrs);}@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)throws IOException {System.out.println(file);fileCount.incrementAndGet();return super.visitFile(file, attrs);}});System.out.println(dirCount); // 133System.out.println(fileCount); // 1479}
}

统计 jar 的数目

Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {if (file.toFile().getName().endsWith(".jar")) {fileCount.incrementAndGet();}return super.visitFile(file, attrs);}
});
System.out.println(fileCount); // 724

删除多级目录

Path path = Paths.get("d:\\a");
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {Files.delete(file);return super.visitFile(file, attrs);}@Overridepublic FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {Files.delete(dir);return super.postVisitDirectory(dir, exc);}
});

删除是危险操作，确保要递归删除的文件夹没有重要内容！

拷贝多级目录

long start = System.currentTimeMillis();
String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64";
String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa";Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {try {String targetName = path.toString().replace(source, target);// 是目录if (Files.isDirectory(path)) {Files.createDirectory(Paths.get(targetName));}// 是普通文件else if (Files.isRegularFile(path)) {Files.copy(path, Paths.get(targetName));}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
});
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

4.网络编程

4.1.阻塞 vs 非阻塞

4.1.1.阻塞

（1）阻塞模式

• 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；

（2）案例

服务器端

package cn.itcast.netty.c4;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugRead;@Slf4j
public class Server {public static void main(String[] args) throws IOException {// 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程// 0. ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 1. 创建服务器ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();// 2. 绑定监听端口(客户端向服务器端发送信息需要直到服务器端的端口号)ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));// 3. 连接集合List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();while (true) {// 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信log.debug("connecting...");// accept(): 阻塞方法，会在没有连接建立时让线程暂停SocketChannel sc = ssc.accept();log.debug("connected... {}", sc);channels.add(sc);for (SocketChannel channel : channels) {// 5. 接收客户端发送的数据log.debug("before read... {}", channel);// read(): 阻塞方法，会在没有数据可读时让线程暂停channel.read(buffer);buffer.flip();debugRead(buffer);buffer.clear();log.debug("after read...{}", channel);}}}
}

客户端

package cn.itcast.netty.c4;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException {SocketChannel sc = SocketChannel.open();//与服务器建立连接sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));System.out.println("waiting...");}
}

演示1：一个客户端

① 运行服务器段代码

② 调试客户端代码

③ 客户端发送数据

sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello"))

演示2：多个客户端

① 在 IDEA 中设置一个程序可以多次运行。

② 接着演示 1 的操作，继续发送一条数据：

sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello"))

此时会发现服务器端仍在等待连接中：

③ 再次调试客户端（相当于 Client.java 运行了 2 次），此时发现 “hi” 被打印出来了，但是由于第 2 次运行的客户端（端口号为 56230）并未传输数据，所以服务器端又阻塞在 read() 处。

4.1.2.非阻塞

• 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
  • 在 ServerSocketChannel.accept() 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行；
  • SocketChannel.read() 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept()；
  • 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去；
• 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 CPU 资源
• 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）

服务器端代码

package cn.itcast.netty.c4;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;import static cn.itcast.netty.c1.ByteBufferUtil.debugRead;@Slf4j
public class Server {public static void main(String[] args) throws IOException {// 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程// 0. ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 1. 创建了服务器ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();// 设置 ServerSocketChannel 为非阻塞模式（默认是阻塞模式），会影响 accept() 方法ssc.configureBlocking(false);// 2. 绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));// 3. 连接集合List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();while (true) {// 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信//log.debug("connecting...");// 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但 sc 是 nullSocketChannel sc = ssc.accept();if (sc != null) {log.debug("connected... {}", sc);// 设置 SocketChannel 为非阻塞模式（默认是阻塞模式），会影响 read() 方法sc.configureBlocking(false);channels.add(sc);}for (SocketChannel channel : channels) {// 5. 接收客户端发送的数据// 非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0int read = channel.read(buffer);if (read > 0) {buffer.flip();debugRead(buffer);buffer.clear();log.debug("after read...{}", channel);}}}}
}

客户端代码

package cn.itcast.netty.c4;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException {SocketChannel sc = SocketChannel.open();sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));System.out.println("waiting...");}
}

4.1.3.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 没法利用多路复用
• 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

4.2.Selector

优点

• 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理，避免非阻塞模式下所做无用功
• 让这个线程能够被充分利用
• 节约了线程的数量
• 减少了线程上下文切换

创建

Selector selector = Selector.open();

绑定 Channel 事件
也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);

• 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

监听 Channel 事件
可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件

方法1：阻塞直到绑定事件发生

int count = selector.select();

方法2：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);

方法3：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();