上篇說了最基礎(chǔ)的五種IO模型，相信大家對IO相關(guān)的概念應(yīng)該有了一定的了解，這篇文章主要講講基于多路復(fù)用IO的Java NIO。
背景
Java誕生至今，有好多種IO模型，從最早的Java IO到后來的Java NIO以及最新的Java AIO，每種IO模型都有它自己的特點，詳情請看我的上篇文章Java IO初探，而其中的的Java NIO應(yīng)用非常廣泛，尤其是在高并發(fā)領(lǐng)域，比如我們常見的Netty，Mina等框架，都是基于它實現(xiàn)的，相信大家都有所了解，下面讓我們來看看Java NIO的具體架構(gòu)。
Java NIO架構(gòu)
其實Java NIO模型相對來說也還是比較簡單的，它的核心主要有三個，分別是：Selector、Channel和Buffer,我們先來看看它們之間的關(guān)系：
它們之間的關(guān)系很清晰，一個線程對應(yīng)著一個Selector，一個Selector對應(yīng)著多個Channel，一個Channel對應(yīng)著一個Buffer，當(dāng)然這只是通常的做法，一個Channel也可以對應(yīng)多個Selector，一個Channel對應(yīng)著多個Buffer。
Selector
個人認(rèn)為Selector是Java NIO的最大特點，之前我們說過，傳統(tǒng)的Java IO在面對大量IO請求的時候有心無力，因為每個維護每一個IO請求都需要一個線程，這帶來的問題就是，系統(tǒng)資源被極度消耗，吞吐量直線下降，引起系統(tǒng)相關(guān)問題，那么Java NIO是如何解決這個問題的呢？答案就是Selector，簡單來說它對應(yīng)著多路IO復(fù)用中的監(jiān)管角色，它負責(zé)統(tǒng)一管理IO請求，監(jiān)聽相應(yīng)的IO事件，并通知對應(yīng)的線程進行處理，這種模式下就無需為每個IO請求單獨分配一個線程，另外也減少線程大量阻塞，資源利用率下降的情況，所以說Selector是Java NIO的精髓，在Java中我們可以這么寫：
// 打開服務(wù)器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服務(wù)器配置為非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 進行服務(wù)的綁定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8001));
// 通過open()方法找到Selector
Selector selector = Selector.open();
// 注冊到selector，等待連接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
...
Channel
Channel本意是通道的意思，簡單來說，它在Java NIO中表現(xiàn)的就是一個數(shù)據(jù)通道，但是這個通道有一個特點，那就是它是雙向的，也就是說，我們可以從通道里接收數(shù)據(jù)，也可以向通道里寫數(shù)據(jù)，不用像Java BIO那樣，讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)需要不同的數(shù)據(jù)通道，比如最常見的Inputstream和Outputstream，但是它們都是單向的，Channel作為一種全新的設(shè)計，它幫助系統(tǒng)以相對小的代價來保持IO請求數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚?，但是它并不真正存放?shù)據(jù)，它總是結(jié)合著緩存區(qū)（Buffer）一起使用，另外Channel主要有以下四種：
- FileChannel：讀寫文件時使用的通道
- DatagramChannel：傳輸UDP連接數(shù)據(jù)時的通道,與Java IO中的DatagramSocket對應(yīng)
- SocketChannel：傳輸TCP連接數(shù)據(jù)時的通道，與Java IO中的Socket對應(yīng)
- ServerSocketChannel: 監(jiān)聽套接詞連接時的通道，與Java IO中的ServerSocket對應(yīng)
當(dāng)然其中最重要以及最常用的就是SocketChannel和ServerSocketChannel，也是Java NIO的精髓，ServerSocketChannel可以設(shè)置成非阻塞模式，然后結(jié)合Selector就可以實現(xiàn)多路復(fù)用IO，使用一個線程管理多個Socket連接，具體使用可以參數(shù)上面的代碼。
Buffer
顧名思義，Buffer的含義是緩沖區(qū)，它在Java NIO中的主要作用就是作為數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)域，Buffer對應(yīng)著某一個Channel，從Channel中讀取數(shù)據(jù)或者向Channel中寫數(shù)據(jù)，Buffer與數(shù)組很類似，但是它提供了更多的特性，方便我們對Buffer中的數(shù)據(jù)進行操作，后面我也會主要分析它的三個屬性capacity，position和limit，我們先來看一下Buffer分配時的類別（這里不是指Buffer的具體數(shù)據(jù)類型）即Direct Buffer和Heap Buffer，那么為什么要有這兩種類別的Buffer呢？我們先來看看它們的特性：
Direct Buffer：
- 直接分配在系統(tǒng)內(nèi)存中；
- 不需要花費將數(shù)據(jù)庫從內(nèi)存拷貝到Java內(nèi)存中的成本；
- 雖然Direct Buffer是直接分配中系統(tǒng)內(nèi)存中的，但當(dāng)它被重復(fù)利用時，只有真正需要數(shù)據(jù)的那一頁數(shù)據(jù)會被裝載到真是的內(nèi)存中，其它的還存在在虛擬內(nèi)存中，不會造成實際內(nèi)存的資源浪費；
- 可以結(jié)合特定的機器碼，一次可以有順序的讀取多字節(jié)單元；
- 因為直接分配在系統(tǒng)內(nèi)存中，所以它不受Java GC管理，不會自動回收；
- 創(chuàng)建以及銷毀的成本比較高；
Heap Buffer：
- 分配在Java Heap，受Java GC管理生命周期，不需要額外維護；
- 創(chuàng)建成本相對較低；
根據(jù)它們的特性，我們可以大致總結(jié)出它們的適用場景：
如果這個Buffer可以重復(fù)利用，而且你也想多個字節(jié)操作，亦或者你對性能要求很高，可以選擇使用Direct Buffer，但其編碼相對來說會比較復(fù)雜，需要注意的點也更多，反之則用Heap Buffer，Buffer的相應(yīng)創(chuàng)建方法：
//創(chuàng)建Heap Buffer
ByteBuffer heapBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//創(chuàng)建Direct Buffer
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
下面我們來看看它的三個屬性：
- Capacity：顧名思義它的含義是容量，代表著Buffer的最大容量，與數(shù)組的Size很類似，初始化不可更改，除非你改變的Buffer的結(jié)構(gòu)；
- Limit：顧名思義它的含義是界限，代表著Buffer的目前可使用的最大限制，寫模式下，一般Limit等于Capacity，讀模式下需要你自己控制它的值結(jié)合position讀取想要的數(shù)據(jù)；
- Position：顧名思義它的含義是位置，代表著Buffer目前操作的位置，通俗來說，就是你下次對Buffer進行操作的起始位置；
接下來我會用一個圖解的列子幫助大家理解,現(xiàn)在我們假設(shè)有一個容量為10的Buffer，我們先往里面寫入一定字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)編碼規(guī)則從其中讀取我們需要的數(shù)據(jù)：
1.初始Buffer：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
2.向Buffer中寫入兩個字節(jié)：
buffer.put("my".getBytes());
3.再Buffer中寫入四個字節(jié)：
buffer.put("blog".getBytes());
4.現(xiàn)在我們需要從Buffer中獲取數(shù)據(jù)，首先我們先將寫模式轉(zhuǎn)換為讀模式：
buffer.flip();
我們來看看flip()方法到底做了什么事？
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
從源碼中可以看出，flip方法根據(jù)Buffer目前的相應(yīng)屬性來修改對應(yīng)的屬性，所以flip()方法之后，Buffer目前的狀態(tài)：
5.接著我們從Buffer中讀取數(shù)據(jù)
從Buffer中讀取數(shù)據(jù)有多種方式，比如get(),get(byte [])等，相關(guān)的具體方法使用可以參考Buffer的官方API文檔，這里我們用最簡單的get()來獲取數(shù)據(jù):
byte a = buffer.get();
byte b = buffer.get();
此時Buffer的狀態(tài)如下圖所示：
我們可以按照這種方式讀取完我們所需數(shù)據(jù)，最終調(diào)用clear()方法將Buffer置為初始狀態(tài)。
總結(jié)
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(guān)系，可以讓你對Java NIO的整個架構(gòu)更加熟悉，理解相對來說也會更加深刻，并分析了這種模式是如何與多路復(fù)用IO模型的映射，了解Java NIO在高并發(fā)場景下優(yōu)勢的原因。
