Java NIO 核心知识介绍
概要
在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。也就是说，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。
为了解决这个问题，在 Java1.4 版本引入了一种新的 I/O 模型 — NIO （New IO，也称为 Non-blocking IO） 。NIO 弥补了同步阻塞 I/O 的不足，它在标准 Java 代码中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的 I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了 I/O 效率和并发。
BIO、NIO 和 AIO 处理客户端请求的简单对比，如下图：
需要注意：使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO 。
一、NIO 核心组件
NIO 主要包括以下三个核心组件：
- Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
- Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
- Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。
三者的关系如下图所示：
1. Buffer（缓冲区）
在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的， 分为字节流和字符流。
在 Java 1.4 的 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。 使用 NIO 在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。
Buffer 的子类如下图所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。
2. Channel（通道）
Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。
BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。
Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。Channel和Buffer之间的关系如下图：
另外，因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。Channel 的子类如下图所示。
其中，最常用的是以下几种类型的通道：
- FileChannel：文件访问通道
- SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通信通道
- DatagramChannel：UDP 通信通道
如下图：
Channel 最核心的两个方法：
- read ：读取数据并写入到 Buffer 中
- write ：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
这里我们以 FileChannel 为例演示一下是读取文件数据的。
RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);
3. Selector（选择器）
Selector（选择器） 是 NIO 中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。
1）工作原理
Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行相应的 I/O 操作。如下图：
一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
2）监听的四种事件类型
- SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel。
- SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel。
- SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
- SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。
Selector是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。
3）Selector实例的SelectionKey集合
一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：
- 所有的 SelectionKey 集合：代表了注册在该 Selector 上的 Channel，这个集合可以通过 keys() 方法返回。
- 被选择的 SelectionKey 集合：代表了所有可通过 select() 方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过 selectedKeys() 返回。
- 被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注册关系的 Channel，在下一次执行 select() 方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。
简单演示一下如何遍历被选择的 SelectionKey 集合并进行处理：
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key != null) {
if (key.isAcceptable()) {
// ServerSocketChannel 接收了一个新连接
} else if (key.isConnectable()) {
// 表示一个新连接建立
} else if (key.isReadable()) {
// Channel 有准备好的数据，可以读取
} else if (key.isWritable()) {
// Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
}
}
keyIterator.remove();
}
Selector 还提供了一系列和 select() 相关的方法：
- int select()：监控所有注册的 Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时，该方法返回，并将对应的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
- int select(long timeout)：可以设置超时时长的 select() 操作。
- int selectNow()：执行一个立即返回的 select() 操作，相对于无参数的 select() 方法而言，该方法不会阻塞线程。
- Selector wakeup()：使一个还未返回的 select() 方法立刻返回。
- ……
使用 Selector 实现网络读写的简单示例：
1 import java.io.IOException;
2 import java.net.InetSocketAddress;
3 import java.nio.ByteBuffer;
4 import java.nio.channels.SelectionKey;
5 import java.nio.channels.Selector;
6 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
7 import java.nio.channels.SocketChannel;
8 import java.util.Iterator;
9 import java.util.Set;
10
11 public class NioSelectorExample {
12
13 public static void main(String[] args) {
14 try {
15 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
16 serverSocketChannel.configureBlocking(false);
17 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
18
19 Selector selector = Selector.open();
20 // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
21 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
22
23 while (true) {
24 int readyChannels = selector.select();
25
26 if (readyChannels == 0) {
27 continue;
28 }
29
30 Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
31 Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
32
33 while (keyIterator.hasNext()) {
34 SelectionKey key = keyIterator.next();
35
36 if (key.isAcceptable()) {
37 // 处理连接事件
38 ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
39 SocketChannel client = server.accept();
40 client.configureBlocking(false);
41
42 // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
43 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
44 } else if (key.isReadable()) {
45 // 处理读事件
46 SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
47 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
48 int bytesRead = client.read(buffer);
49
50 if (bytesRead > 0) {
51 buffer.flip();
52 System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
53 // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
54 client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
55 } else if (bytesRead < 0) {
56 // 客户端断开连接
57 client.close();
58 }
59 } else if (key.isWritable()) {
60 // 处理写事件
61 SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
62 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
63 client.write(buffer);
64
65 // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
66 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
67 }
68
69 keyIterator.remove();
70 }
71 }
72 } catch (IOException e) {
73 e.printStackTrace();
74 }
75 }
76 }
在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听 8080 端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 "Hello, Client!"。
二、NIO 零拷贝
零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像 ActiveMQ、Kafka 、RocketMQ、QMQ、Netty 等顶级开源项目都用到了零拷贝。
零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。也就是说，零拷贝主要解决操作系统在处理 I/O 操作时频繁复制数据的问题。零拷贝的常见实现技术有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy 。
无论是传统的 I/O 方式，还是引入了零拷贝之后，2 次 DMA(Direct Memory Access) 拷贝是都少不了的。因为两次 DMA 都是依赖硬件完成的。零拷贝主要是减少了 CPU 拷贝及上下文的切换。
三、总结
这篇文章我们主要介绍了 NIO 的核心知识点，包括 NIO 的核心组件和零拷贝。如果我们需要使用 NIO 构建网络程序的话，不建议直接使用原生 NIO，编程复杂且功能性太弱，推荐使用一些成熟的基于 NIO 的网络编程框架比如 Netty。Netty 在 NIO 的基础上进行了一些优化和扩展比如支持多种协议、支持 SSL/TLS 等等。
参考链接：
https://javaguide.cn/java/io/nio-basis.html