Java NIO系列(一) - 概述
前言
Java NIO全稱java non-blocking IO，是指jdk1.4及以上版本裏提供的新api(New IO)，為所有的原始類型(boolean類型除外)提供緩存支持的數據容器，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網絡。
Java NIO提供了與標準IO不同的IO工作方式，Channel、Buffer和Selector構成了核心的API。其它組件，如Pipe和FileLock，只不過是與三個核心組件共同使用的工具類。
- 通道和緩沖區 (
Channel and Buffer)：
標準的IO基於字節流和字符流進行單向的數據讀寫操作。而NIO是基於通道(Channel)和緩沖區(Buffer
- 異步IO (
Asynchronous IO)：
Java NIO可以讓你異步的使用IO，例如：當線程從通道讀取數據到緩沖區時，線程還是可以進行其他事情；當數據被線程寫入到緩沖區時，線程可以繼續處理它。從緩沖區寫入通道也類似。
- 選擇器 (
Selector)：
Java NIO引入了選擇器的概念，選擇器用於監聽多個通道的事件（比如：連接打開，數據讀取和數據寫入）。因此，單個的線程可以監聽多個數據通道。
下面就來詳細介紹Java NIO的相關知識。
正文
1. Java NIO概述
Java NIO由以下幾個核心部分組成：
- Channel
- Buffer
- Selector
1.1. Channel和Buffer
基本上，所有的IO 在NIO中都從一個Channel`開始：
通道Channel有點像流(Stream)，兩者可以做個簡單對比：
- 流是單向的，一個流對象要麽是輸出流、要麽是輸入流。
- 通道是全雙工的，一個通道通常搭配緩存一起使用。數據可以從
Channel讀到Buffer中，也可以從Buffer寫到Channel中。
這裏有個圖示：
Channel和Buffer`有好幾種類型。
JAVA NIO中的一些主要Channel的實現，主要涵蓋了文件IO和UDP、TCP的網絡IO：
- FileChannel：從文件中讀寫數據
- ServerSocketChannel：能通過
UDP讀寫網絡中的數據 - SocketChannel：能通過
TCP讀寫網絡中的數據 - DatagramChannel：可以監聽新進來的
TCP連接，像Web服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創建一個SocketChannel。
JAVA NIO中關鍵的Buffer實現，涵蓋了除boolean的其余7種基本數據類型(byte、short、int、long、float、double 和 char)：
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
1.2. Selector
Selector允許單線程處理多個Channel的連接事件和數據讀寫。如果你的應用打開了多個連接（通道），但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便，例如：一個聊天服務器。
這是在一個單線程中使用一個Selector處理3個Channel的圖示：
要使用Selector，得向Selector註冊Channel，然後調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件。
事件類型主要包括：新連接進來、數據接收、數據發送等。
2. Java NIO對比IO
上面提到了NIO主要的組件和特性，在實際的IO操作中，應該如何在標準IO和NIO進行選擇，這裏就需要具體對比兩者的差異，並引入一些概念。
| IO | NIO | |
|---|---|---|
| 底層讀寫實現 | 面向流讀寫 | 面向緩沖區讀寫 |
| 是否有選擇器 | 無 | 基於選擇器的事件分離 |
| IO是否阻塞 | 阻塞式IO | 非阻塞式IO |
2.1. 底層讀寫實現
Java NIO和IO之間第一個最大的區別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區的。
- 面向流
Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前後移動流中的數據。如果需要前後移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到一個緩沖區。
- 面向緩沖區
Java NIO的緩沖導向方法略有不同。數據讀取到一個它稍後處理的緩沖區，需要時可在緩沖區中前後移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區中包含所有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩沖區時，不要覆蓋緩沖區裏尚未處理的數據。
2.2. 是否有選擇器
Java NIO的選擇器允許一個單獨的線程來監視多個輸入通道。
IO的讀寫速度和CPU的處理速度相差了一個數量級，導致IO事件延長了CPU的空閑等待時間，導致性能上的瓶頸。為了盡量的縮短CPU的等待時間，在單個IO操作進行時CPU可以抽出身來去做別的事情(其他IO)，
NIO引入單線程處理多IO事件的概念，從而充分利用CPU分配的資源。
Java NIO允許已註冊的多個通道使用一個選擇器，然後使用一個單獨的線程來選擇通道。這種選擇機制，使得一個單線程很容易地管理多個通道。
2.3. IO是否阻塞
所謂阻塞，就是線程在進行IO操作時，不能抽出身來去幹其他事情，必須等待數據讀寫完成。
-
Java IO的各種流是阻塞的。- 當一個線程調用
read()或write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再幹任何事情。
- 當一個線程調用
-
Java NIO的非阻塞的。- 當監聽某個通道的讀操作事件時，線程向該通道發送請求讀取數據，之後這個線程就可以去幹別的事情。
- 當監聽某個通道的寫操作事件時，線程向請求向該通道寫入數據，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。
線程通常將非阻塞
IO的空閑時間用於在其它通道上執行IO操作，所以一個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道(channel)。
歡迎關註技術公眾號： 零壹技術棧
零壹技術棧
本帳號將持續分享後端技術幹貨，包括虛擬機基礎，多線程編程，高性能框架，異步、緩存和消息中間件，分布式和微服務，架構學習和進階等學習資料和文章。
Java NIO系列(一) - 概述