Asyncdb（三）：Java NIO

本文由 GodPan 發表在 ScalaCool 團隊博客。

上篇說了最基礎的五種IO模型，相信你們對IO相關的概念應該有了必定的瞭解，這篇文章主要講講基於多路複用IO的Java NIO。

背景

Java誕生至今，有好多種IO模型，從最先的Java IO到後來的Java NIO以及最新的Java AIO，每種IO模型都有它本身的特色，詳情請看個人上篇文章Java IO初探，而其中的的Java NIO應用很是普遍，尤爲是在高併發領域，好比咱們常見的Netty，Mina等框架，都是基於它實現的，相信你們都有所瞭解，下面讓咱們來看看Java NIO的具體架構。

Java NIO架構

其實Java NIO模型相對來講也仍是比較簡單的，它的核心主要有三個，分別是：Selector、Channel和Buffer,咱們先來看看它們之間的關係：

它們之間的關係很清晰，一個線程對應着一個Selecter，一個Selecter對應着多個Channel，一個Channel對應着一個Buffer，固然這只是一般的作法，一個Channel也能夠對應多個Selecter，一個Channel對應着多個Buffer。

Selecter

我的認爲Selecter是Java NIO的最大特色，以前咱們說過，傳統的Java IO在面對大量IO請求的時候有心無力，由於每一個維護每個IO請求都須要一個線程，這帶來的問題就是，系統資源被極度消耗，吞吐量直線降低，引發系統相關問題，那麼Java NIO是如何解決這個問題的呢？答案就是Selecter，簡單來講它對應着多路IO複用中的監管角色，它負責統一管理IO請求，監聽相應的IO事件，並通知對應的線程進行處理，這種模式下就無需爲每一個IO請求單獨分配一個線程，另外也減小線程大量阻塞，資源利用率降低的狀況，因此說Selecter是Java NIO的精髓，在Java中咱們能夠這麼寫：

// 打開服務器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服務器配置爲非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 進行服務的綁定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8001));

// 經過open()方法找到Selector
Selector selector = Selector.open();
// 註冊到selector，等待鏈接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
...
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Channel

Channel本意是通道的意思，簡單來講，它在Java NIO中表現的就是一個數據通道，可是這個通道有一個特色，那就是它是雙向的，也就是說，咱們能夠從通道里接收數據，也能夠向通道里寫數據，不用像Java BIO那樣，讀數據和寫數據須要不一樣的數據通道，好比最多見的Inputstream和Outputstream，可是它們都是單向的，Channel做爲一種全新的設計，它幫助系統以相對小的代價來保持IO請求數據傳輸的處理，可是它並不真正存放數據，它老是結合着緩存區（Buffer）一塊兒使用，另外Channel主要有如下四種：

• FileChannel：讀寫文件時使用的通道
• DatagramChannel：傳輸UDP鏈接數據時的通道,與Java IO中的DatagramSocket對應
• SocketChannel：傳輸TCP鏈接數據時的通道，與Java IO中的Socket對應
• ServerSocketChannel: 監聽套接詞鏈接時的通道，與Java IO中的ServerSocket對應

固然其中最重要以及最經常使用的就是SocketChannel和ServerSocketChannel，也是Java NIO的精髓，ServerSocketChannel能夠設置成非阻塞模式，而後結合Selecter就能夠實現多路複用IO，使用一個線程管理多個Socket鏈接，具體使用能夠參數上面的代碼。

Buffer

顧名思義，Buffer的含義是緩衝區，它在Java NIO中的主要做用就是做爲數據的緩衝區域，Buffer對應着某一個Channel，從Channel中讀取數據或者向Channel中寫數據，Buffer與數組很相似，可是它提供了更多的特性，方便咱們對Buffer中的數據進行操做，後面我也會主要分析它的三個屬性capacity，position和limit，咱們先來看一下Buffer分配時的類別（這裏不是指Buffer的具體數據類型）即Direct Buffer和Heap Buffer，那麼爲何要有這兩種類別的Buffer呢？咱們先來看看它們的特性：

Direct Buffer：

• 直接分配在系統內存中；
• 不須要花費將數據庫從內存拷貝到Java內存中的成本；
• 雖然Direct Buffer是直接分配中系統內存中的，但當它被重複利用時，只有真正須要數據的那一頁數據會被裝載到真是的內存中，其它的還存在在虛擬內存中，不會形成實際內存的資源浪費；
• 能夠結合特定的機器碼，一次能夠有順序的讀取多字節單元；
• 由於直接分配在系統內存中，因此它不受Java GC管理，不會自動回收；
• 建立以及銷燬的成本比較高；

Heap Buffer：

• 分配在Java Heap，受Java GC管理生命週期，不須要額外維護；
• 建立成本相對較低；

根據它們的特性，咱們能夠大體總結出它們的適用場景：

若是這個Buffer能夠重複利用，並且你也想多個字節操做，亦或者你對性能要求很高，能夠選擇使用Direct Buffer，但其編碼相對來講會比較複雜，須要注意的點也更多，反之則用Heap Buffer，Buffer的相應建立方法：

//建立Heap Buffer
ByteBuffer heapBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

//建立Direct Buffer
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
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下面咱們來看看它的三個屬性：

• Capacity：顧名思義它的含義是容量，表明着Buffer的最大容量，與數組的Size很相似，初始化不可更改，除非你改變的Buffer的結構；
• Limit：顧名思義它的含義是界限，表明着Buffer的目前可以使用的最大限制，寫模式下，通常Limit等於Capacity，讀模式下須要你本身控制它的值結合position讀取想要的數據；
• Position：顧名思義它的含義是位置，表明着Buffer目前操做的位置，通俗來講，就是你下次對Buffer進行操做的起始位置；

接下來我會用一個圖解的列子幫助你們理解,如今咱們假設有一個容量爲10的Buffer，咱們先往裏面寫入必定字節的數據，而後再根據編碼規則從其中讀取咱們須要的數據：

1.初始Buffer：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
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2.向Buffer中寫入兩個字節：

buffer.put("my".getBytes());
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3.再Buffer中寫入四個字節：

buffer.put("blog".getBytes());
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4.如今咱們須要從Buffer中獲取數據，首先咱們先將寫模式轉換爲讀模式：

buffer.flip();
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咱們來看看flip()方法到底作了什麼事？

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}
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從源碼中能夠看出，flip方法根據Buffer目前的相應屬性來修改對應的屬性，因此flip()方法以後，Buffer目前的狀態：

5.接着咱們從Buffer中讀取數據

從Buffer中讀取數據有多種方式，好比get(),get(byte [])等，相關的具體方法使用能夠參考Buffer的官方API文檔，這裏咱們用最簡單的get()來獲取數據:

byte a = buffer.get();
  byte b = buffer.get();
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此時Buffer的狀態以下圖所示：

咱們能夠按照這種方式讀取完咱們所需數據，最終調用clear()方法將Buffer置爲初始狀態。

總結

這篇文章主要講解了Java NIO中重要的三個組成部分，在實際使用過程也是比較重要的，掌握它們之間的關係，可讓你對Java NIO的整個架構更加熟悉，理解相對來講也會更加深入，並分析了這種模式是如何與多路複用IO模型的映射，瞭解Java NIO在高併發場景下優點的緣由。