深刻理解Java NIO

初識NIO：

    在 JDK 1. 4 中 新 加入 了 NIO( New Input/ Output) 類, 引入了一種基於通道和緩衝區的 I/O 方式，它可使用 Native 函數庫直接分配堆外內存，而後經過一個存儲在 Java 堆的 DirectByteBuffer 對象做爲這塊內存的引用進行操做，避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回複製數據。

    NIO 是一種同步非阻塞的 IO 模型。同步是指線程不斷輪詢 IO 事件是否就緒，非阻塞是指線程在等待 IO 的時候，能夠同時作其餘任務。同步的核心就是 Selector，Selector 代替了線程自己輪詢 IO 事件，避免了阻塞同時減小了沒必要要的線程消耗；非阻塞的核心就是通道和緩衝區，當 IO 事件就緒時，能夠經過寫道緩衝區，保證 IO 的成功，而無需線程阻塞式地等待。

Buffer：

    爲何說NIO是基於緩衝區的IO方式呢？由於，當一個連接創建完成後，IO的數據未必會立刻到達，爲了當數據到達時可以正確完成IO操做，在BIO（阻塞IO）中，等待IO的線程必須被阻塞，以全天候地執行IO操做。爲了解決這種IO方式低效的問題，引入了緩衝區的概念，當數據到達時，能夠預先被寫入緩衝區，再由緩衝區交給線程，所以線程無需阻塞地等待IO。

通道：

    當執行：SocketChannel.write(Buffer)，便將一個 buffer 寫到了一個通道中。若是說緩衝區還好理解，通道相對來講就更加抽象。網上博客不免有寫不嚴謹的地方，容易使初學者感到難以理解。

    引用 Java NIO 中權威的說法：通道是 I/O 傳輸發生時經過的入口，而緩衝區是這些數 據傳輸的來源或目標。對於離開緩衝區的傳輸，您想傳遞出去的數據被置於一個緩衝區，被傳送到通道。對於傳回緩衝區的傳輸，一個通道將數據放置在您所提供的緩衝區中。

    例如 有一個服務器通道 ServerSocketChannel serverChannel，一個客戶端通道 SocketChannel clientChannel；服務器緩衝區：serverBuffer，客戶端緩衝區：clientBuffer。

    當服務器想向客戶端發送數據時，須要調用：clientChannel.write(serverBuffer)。當客戶端要讀時，調用 clientChannel.read(clientBuffer)

    當客戶端想向服務器發送數據時，須要調用：serverChannel.write(clientBuffer)。當服務器要讀時，調用 serverChannel.read(serverBuffer)

    這樣，通道和緩衝區的關係彷佛更好理解了。在實踐中，未必會出現這種雙向鏈接的蠢事（然而這確實存在的，後面的內容還會涉及），可是能夠理解爲在NIO中：若是想將Data發到目標端，則須要將存儲該Data的Buffer，寫入到目標端的Channel中，而後再從Channel中讀取數據到目標端的Buffer中。

Selector：

    通道和緩衝區的機制，使得線程無需阻塞地等待IO事件的就緒，可是老是要有人來監管這些IO事件。這個工做就交給了selector來完成，這就是所謂的同步。

    Selector容許單線程處理多個 Channel。若是你的應用打開了多個鏈接（通道），但每一個鏈接的流量都很低，使用Selector就會很方便。

    要使用Selector，得向Selector註冊Channel，而後調用它的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，這就是所說的輪詢。一旦這個方法返回，線程就能夠處理這些事件。

    Selector中註冊的感興趣事件有：

• OP_ACCEPT

• OP_CONNECT 

• OP_READ 

• OP_WRITE

優化：

    一種優化方式是：將Selector進一步分解爲Reactor，將不一樣的感興趣事件分開，每個Reactor只負責一種感興趣的事件。這樣作的好處是：一、分離阻塞級別，減小了輪詢的時間；二、線程無需遍歷set以找到本身感興趣的事件，由於獲得的set中僅包含本身感興趣的事件。

NIO和epoll：

    epoll是Linux內核的IO模型。我想必定有人想問，AIO聽起來比NIO更加高大上，爲何不使用AIO？AIO其實也有應用，可是有一個問題就是，Linux是不支持AIO的，所以基於AIO的程序運行在Linux上的效率相比NIO反而更低。而Linux是最主要的服務器OS，所以相比AIO，目前NIO的應用更加普遍。

    說到這裏，可能你已經明白了，epoll必定和NIO有着很深的因緣。沒錯，若是仔細研究epoll的技術內幕，你會發現它確實和NIO很是類似，都是基於「通道」和緩衝區的，也有selector，只是在epoll中，通道其實是操做系統的「管道」。和NIO不一樣的是，NIO中，解放了線程，可是須要由selector阻塞式地輪詢IO事件的就緒；而epoll中，IO事件就緒後，會自動發送消息，通知selector：「我已經就緒了。」能夠認爲，Linux的epoll是一種效率更高的NIO。

NIO軼事：

    一篇有意思的博客，講的 Java selector.open() 的時候，會建立一個本身和本身的連接（windows上是tcp，linux上是通道）

    這麼作的緣由：能夠從 Apache Mina 中窺探。在 Mina 中，有以下機制：

1. Mina框架會建立一個Work對象的線程。

2. Work對象的線程的run()方法會從一個隊列中拿出一堆Channel，而後使用Selector.select()方法來偵聽是否有數據能夠讀/寫。

3. 最關鍵的是，在select的時候，若是隊列有新的Channel加入，那麼，Selector.select()會被喚醒，而後從新select最新的Channel集合。

4. 要喚醒select方法，只須要調用Selector的wakeup()方法。

    而一個阻塞在select上的線程有如下三種方式能夠被喚醒：

1. 有數據可讀/寫，或出現異常。

2. 阻塞時間到，即time out。

3. 收到一個non-block的信號。可由kill或pthread_kill發出。

    首先 2 能夠排除，而第三種方式，只在linux中存在。所以，Java NIO爲何要建立一個本身和本身的連接：就是若是想要喚醒select，只須要朝着本身的這個loopback鏈接發點數據過去，因而，就能夠喚醒阻塞在select上的線程了。