基本概念

• BIO:是阻塞I/O,不管是磁碟I/O,還是網路I/O，資料在寫入OutputStream和InputStream都可能發生阻塞，一旦有阻塞，執行緒會失去CPU的使用權(阻塞)。
• NIO:簡單的說就是非阻塞式I/O(單個I/O阻塞時不阻塞執行緒),一個執行緒可以負責多個I/O連線(利用serverSocketChannels來接收)，取一個準備好接收資料的連線(註冊到Selector輪詢排程)，儘快地用連線向快取區(利用buffer優化I/O)填充資料，然後轉向下一個準備好的連線。
• 快取區(buffer):通訊通道(channel)用來傳輸資料的介質，在NOI模型中，不再通向輸出流寫入資料或從輸入流讀取資料，而是在快取區中讀寫資料，能夠有效減少I/O中斷次數，調優I/O。(我會寫部落格專門講快取區的…連結留個位置)
• 通道(channel):負責將緩衝區的資料塊移入或移出到各種I/O源(我會寫部落格專門講通道的…連結留個位置)
• 就緒選擇(selector):為完成就緒選擇，要將不同的通道註冊到一個Selector物件。每個通道分配有一個SeletionKey。然後程式可以通過詢問Selector物件，得知哪些通道已經準備就緒，可以無阻塞地完成I/O操作，可以向Selector物件查詢相應的鍵集合。

通道和I/O流的區別

• 流和通道間的關鍵區別是流是基於位元組的，而通道是基於塊的，塊的單次中斷傳輸的資料量遠大於位元組，所以效能是有優勢，當然，出於效能考慮，流也可以傳輸位元組陣列。
• 通常情況下(如網路通道)，通道的緩衝區支援單個通道的讀寫
  ，而流是只讀或者只寫的。CDROM是隻讀通道，但這只是特例

理解I/O：效能的瓶頸

• 現代計算機基於馮諾依曼的儲存執行模型，所以資料在計算機部件間的傳輸速率決定了計算機的執行效率，但是各級儲存(CPU暫存器、快取、記憶體、硬碟)的傳輸速度差異巨大(數量級上的差距)，在傳統的BIO模式下，這導致高速計算部件的大量時間浪費在等待資料傳輸上。然而計算機作為節點的計算機網路中，問題依舊存在。
• 傳輸速度上:CPU>內存>磁盤>網絡(一般情況下)
• 傳統的做法是通過快取和多執行緒解決這一問題:
  
  • 快取記憶體能夠減少中斷次數(單次傳輸的資料量增大，資料總量不變)和中斷的時間(快取一般比原始儲存位置傳輸速率快)
  • 多執行緒可以讓單個執行緒處理一個I/O,不會影響執行緒獲得CPU資源，但是當I/O連線數量增多時，執行緒的數量隨之增加，生成多個執行緒以及執行緒之間切換的開銷是不容忽略的，執行緒管理的開銷(時間+資源)極大地降低了系統性能
  • 借鑑多執行緒對於I/O的解決方案，我們進一步解決的就是優化掉建立執行緒和執行緒間切換帶來的巨大的開銷，那麼也就是採用單個執行緒非阻塞地管理多個I/O連線，也就是我們要講的NIO。

例講Channel和buffer的簡單使用

枯燥的講解API沒有意義，也太沒意思了，所以我採取更加直觀的例子來說明API，不嚴謹但更簡單直觀，首先為了方便測試我們利用Channel寫的Client，我們先用簡單的幾行程式碼實現一個本地的測試伺服器:

package com.company;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class TestServer {

    public static void main(String[] args){
        //伺服器監聽請求的埠
        int port = 9999;
        ServerSocket server=null;
        try {
            server = new ServerSocket(port);
        }catch( IOException e ){
            System.out.println("伺服器建立失敗");
            e.printStackTrace();
        }
        Socket temp=null;
        try{
            temp = server.accept();
        }catch( IOException e ){
            System.out.println("獲取連線失敗");
            e.printStackTrace();
        }

        OutputStream output = null;
        try{
            output = temp.getOutputStream();
        }catch ( Exception e ){
            e.printStackTrace();
        }
        byte [] buffer = "llin of Tianjin University love JAVA and Alibaba!".getBytes();
        while ( true ) {
            try {
                output.write(buffer);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                //防止傳輸資訊過於快，不方便我們測試
                Thread.sleep(1000);
            }catch ( InterruptedException e ){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

主要作用是間隔一段時間向客戶端傳送一段資訊，用來測試客戶端的channel是否實際發揮了作用
下面是一個例子，可以用來簡單熟悉一下JAVA中的Buffer和Channel介面的使用，雖然實際中這樣使用的意義不大

package com.company;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.WritableByteChannel;

/**
 * Created by liulin on 16-4-12.
 */
public class TestClient {

    //預設的IP
    public static final String ipAddress = "127.0.0.1";
    //預設埠
    public static final int  DEFAULT_PORT = 9999;
    //快取的大小
    public static final int BUFFER_SIZE = 200;

    public static void  main ( String [] args ){

        if ( args.length == 0 ){//如果沒有給出IP地址那麼沒辦法找到測試伺服器啊
            System.out.println( "請輸入伺服器的IP地址或域名");
        }

        //給定埠那麼使用指定埠，否則使用預設埠
        int port=0;
        try{
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }catch ( Exception e ){
            port = DEFAULT_PORT;
            e.printStackTrace();
        }

        try{//本例只是讓大家熟悉JAVA提供的Buffer,Channel的API，讓不熟悉Socket的同學學習下Socket機制
            //所以不採用非阻塞機制，也不使用selector
            SocketAddress address = new InetSocketAddress( ipAddress , port );
            //通過靜態工廠獲得指定address的通道例項
            SocketChannel client = SocketChannel.open(address);
            //通過靜態工廠獲得指定大小的快取
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( BUFFER_SIZE );
            WritableByteChannel out = Channels.newChannel( System.out );//輸出通道
            //從伺服器讀取資料
            while ( client.read(buffer) != -1 ){
                //將快取的position置為buffer內建陣列的初始位置，當前position位置設定為limit
                //position,limit,capacity的概念會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解
                //簡單地講，就是告訴buffer，我們要開始從頭讀取/修改你了
                buffer.flip();
                out.write( buffer );
                //為了方便檢視除錯資訊，輸出一個換行
                System.out.write( "\n".getBytes());
                //只是修改position為buffer內建陣列初始位置，limit設定為capacity
                //目前可以簡單地理解為清空快取(詳情我會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解)
                buffer.clear();
            }

        }catch ( Exception e ){
            e.printStackTrace();
        }


    }
}

主要就是利用Channel連線到伺服器並且通過buffer進行讀寫，輸出到控制檯的一個簡單的例子，執行效果如下(測試的時候一定要先開啟測試伺服器)：

用一個NIO的HTTP伺服器講解NIO

作為一個有著TDD思維的程式猴子，怎麼能不先寫測試用的客戶端呢….其實只是無恥地在之前客戶端添了一行程式碼

package com.company;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.WritableByteChannel;

/**
 * Created by liulin on 16-4-12.
 */
public class TestClient {

    //預設的IP
    public static final String ipAddress = "127.0.0.1";
    //預設埠
    public static final int  DEFAULT_PORT = 9999;
    //快取的大小
    public static final int BUFFER_SIZE = 200;

    public static void  main ( String [] args ){

        if ( args.length == 0 ){//如果沒有給出IP地址那麼沒辦法找到測試伺服器啊
            System.out.println( "請輸入伺服器的IP地址或域名");
        }

        //給定埠那麼使用指定埠，否則使用預設埠
        int port=0;
        try{
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }catch ( Exception e ){
            port = DEFAULT_PORT;
            e.printStackTrace();
        }

        try{//本例只是讓大家熟悉JAVA提供的Buffer,Channel的API，讓不熟悉Socket的同學學習下Socket機制
            //所以不採用非阻塞機制，也不使用selector
            SocketAddress address = new InetSocketAddress( ipAddress , port );
            //通過靜態工廠獲得指定address的通道例項
            SocketChannel client = SocketChannel.open(address);
            //通過靜態工廠獲得指定大小的快取
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( BUFFER_SIZE );
            WritableByteChannel out = Channels.newChannel( System.out );//輸出通道
            //從伺服器讀取資料
            client.write( ByteBuffer.wrap("testing...".getBytes()));

            while ( client.read(buffer) != -1 ){
                //將快取的position置為buffer內建陣列的初始位置，當前position位置設定為limit
                //position,limit,capacity的概念會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解
                //簡單地講，就是告訴buffer，我們要開始從頭讀取/修改你了
                buffer.flip();
                out.write( buffer );
                //為了方便檢視除錯資訊，輸出一個換行
                System.out.write( "\n".getBytes());
                //只是修改position為buffer內建陣列初始位置，limit設定為capacity
                //目前可以簡單地理解為清空快取(詳情我會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解)
                buffer.clear();
            }

        }catch ( Exception e ){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

下面是由selector排程的HTTP伺服器，講解寫在了註釋中，如果還有不明白的可以在評論中問

package com.company;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.WritableByteChannel;

/**
 * Created by liulin on 16-4-12.
 */
public class TestClient {

    //預設的IP
    public static final String ipAddress = "127.0.0.1";
    //預設埠
    public static final int  DEFAULT_PORT = 9999;
    //快取的大小
    public static final int BUFFER_SIZE = 200;

    public static void  main ( String [] args ){

        if ( args.length == 0 ){//如果沒有給出IP地址那麼沒辦法找到測試伺服器啊
            System.out.println( "請輸入伺服器的IP地址或域名");
        }

        //給定埠那麼使用指定埠，否則使用預設埠
        int port=0;
        try{
            port = Integer.parseInt(args[1]);
        }catch ( Exception e ){
            port = DEFAULT_PORT;
            e.printStackTrace();
        }

        try{//本例只是讓大家熟悉JAVA提供的Buffer,Channel的API，讓不熟悉Socket的同學學習下Socket機制
            //所以不採用非阻塞機制，也不使用selector
            SocketAddress address = new InetSocketAddress( ipAddress , port );
            //通過靜態工廠獲得指定address的通道例項
            SocketChannel client = SocketChannel.open(address);
            //通過靜態工廠獲得指定大小的快取
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( BUFFER_SIZE );
            WritableByteChannel out = Channels.newChannel( System.out );//輸出通道
            //從伺服器讀取資料
            client.write( ByteBuffer.wrap("testing...".getBytes()));

            while ( client.read(buffer) != -1 ){
                //將快取的position置為buffer內建陣列的初始位置，當前position位置設定為limit
                //position,limit,capacity的概念會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解
                //簡單地講，就是告訴buffer，我們要開始從頭讀取/修改你了
                buffer.flip();
                out.write( buffer );
                //為了方便檢視除錯資訊，輸出一個換行
                System.out.write( "\n".getBytes());
                //只是修改position為buffer內建陣列初始位置，limit設定為capacity
                //目前可以簡單地理解為清空快取(詳情我會在專門介紹buffer的部落格中一齊講解)
                buffer.clear();
            }

        }catch ( Exception e ){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

測試結果如下：

具體的細節，我還會在新的部落格裡詳談，這篇篇幅太長了

參考書目

Java網路程式設計(第三版)
深入分析Java Web技術內幕