NIO三大组件

简单介绍

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socket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，容易堆溢出
• 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socket连接一直未断开，则其对应的线程无法处理其他socket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、Buffer

创建方式

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

• allocate() 方法分配的 ByteBuffer 对象对于 JVM 来说是更加友好的，可以轻松地进行垃圾回收，但在读写时需要进行数据拷贝。
• allocateDirect() 方法分配的 ByteBuffer 对象对于底层操作系统来说是更加友好的，可以直接访问底层内存，提高读写性能，但不易进行垃圾回收。

两者的使用场景

• allocate() 方法适用于频繁的读写操作，数据量较小，并且对 GC 影响较小的情况。
• allocateDirect() 方法适用于需要高性能、大量读写、数据传输等场景，例如网络编程、文件操作等。

下面这种方式也是可以的。

ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(str);

使用方式

• 向 channel 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) {
                // 将 limit 设置为当前位置（即写入操作结束后的位置）
                // 将当前位置重置为 0
                // 清空标记（如果已设置标记）
                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) {
        }
    }
}

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;

• 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。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

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(5);
buffer.put((byte) 1);
buffer.put((byte) 2);
buffer.put((byte) 3);

buffer.flip();

byte data = buffer.get(1);  // 获取索引 1 处的数据
System.out.println(data);  // 输出: 2

int position = buffer.position();
System.out.println(position);  // 输出: 0

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

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(5);
buffer.put((byte) 1);
buffer.put((byte) 2);
buffer.put((byte) 3);
buffer.flip();
// 输出 1 2 3
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    byte data = buffer.get();
    System.out.println(data);
}
// 输出3
int position = buffer.position();
System.out.println(position);

buffer.rewind();
// 输出0
position = buffer.position();
System.out.println(position);
// 输出 1 2 3
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    byte data = buffer.get();
    System.out.println(data);
}

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

粘包与半包

粘包指的是多个数据包被一次性接收或发送，导致多个数据包粘在一起形成一个大的数据包。半包则是指一个数据包被分割成多个小的数据包进行接收或发送。

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

1.分隔符处理法

• 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();
    }
}

2.消息长度标识

在这儿就不用代码举例子了，比如HTTP响应报文，会专门有一个头用来标识报文长度。

3、Channel

这里用FileChannel来举例。

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（与普通的输入流（如 FileInputStream）和输出流（如 FileOutputStream）不同，RandomAccessFile 允许在文件中定位并读取或写入任意位置的数据）

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);

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
    ...
}

写入

因为buffer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);
}

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stream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
             ...      
        }
    }
}

文件空洞

空洞（Sparse Hole）是指文件中已分配但未写入数据的区域。在文件系统中，文件通常由一系列的数据块（或簇）组成，每个数据块存储特定大小的数据。当我们在文件中创建一个空洞时，文件系统会为该空洞保留相应的块或簇，但实际上并不将任何数据写入这些块或簇。

具体来说，空洞是在逻辑上而非物理上存在的。文件系统记录文件的大小和所占用的磁盘空间，但并不将空洞部分实际写入到磁盘。在读取文件时，如果读取到空洞部分，文件系统会返回空数据（通常用零填充）。因此，在文件中存在空洞时，读取操作会返回零值或空数据。

空洞的存在可以带来一些优势。首先，它可以减少磁盘空间的使用，因为没有数据的空洞并不占用实际的磁盘空间。其次，它可以提高文件的创建和扩展速度，因为创建空洞只需要修改文件的元数据，而无需实际写入大量的数据。

然而，需要注意的是，在某些情况下，空洞可能会导致不可预测的行为或资源浪费。例如，当备份或复制文件时，某些工具可能会将空洞部分误认为是实际数据而占用存储空间。另外，某些应用程序可能无法正确处理包含空洞的文件。

总之，空洞指的是在文件中已分配但未写入数据的区域。文件系统会保留这些空洞的位置信息，但不会实际写入数据。了解空洞的概念可以帮助我们更好地理解文件系统的工作原理，并在必要时避免产生不必要的空洞或处理相关问题。

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();

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

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

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

• 如果你尝试从该位置读取数据，将会返回 -1。这是因为已经到达了文件的末尾，无法读取更多的数据
• 这时写入，会追加内容。需要注意的是，如果当前位置超过了文件的末尾，意味着在新内容和原末尾之间会存在一个空洞

写文件示例：

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("F://测试文本.txt", "rw")) {
            FileChannel channel = file.getChannel();
            System.out.println(channel.position());
            channel.position(file.length());
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(50);
            buffer.put("new content!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            buffer.flip(); // 切换为读模式，这一步是必须的！
            channel.write(buffer);
            System.out.println("写入成功！");
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

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。需要注意的是，调用 force(true) 方法可能会对性能产生一定的影响，因为它强制操作系统将数据写入磁盘的频率更高。因此，在实际应用中，应根据具体的需求和性能要求来决定是否调用 force(true) 方法。

两个Channel传输数据(零拷贝)

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。传统的文件传输，需要先将文件拷贝到内核，内核再拷贝到用户空间，执行两次拷贝操作。而零拷贝直接在内核空间完成文件传输，数据无需拷贝到 JVM 内存中，避免了数据在用户空间和内核空间之间的复制。传统的IO操作大概有四步，如图所示：

看一下零拷贝的过程。对于用户来说，不需要再去新建缓冲区来执行冗余的拷贝操作。

transferTo方法代码演示如下：

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();
        }
    }
}

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();
        }
    }
}

当然上面的transferTo只是其中一种零拷贝技术，此外还有DMA和内存映射两种技术。