一、NIO介绍

1.1 什么是NIO？

NIO 库是在 JDK 1.4 中引入的。NIO 弥补了原来的 I/O 的不足，它在标准 Java 代码中提供了高速的、面向块的 I/O。NIO翻译成 no-blocking io 或者 new io都说得通。

1.2 NIO和BIO的区别

面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。、

对于阻塞非阻塞，同步和异步相关的区别，大家可以看下我的网络编程二-LINUX网络IO模型这篇文章

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。而BIO中是一个线程一个连接，在高并发情况下，可能会导致线程被链接耗光而进入阻塞的情况。

1.3 适用场景

NIO适用场景

服务器需要支持超大量的长时间连接。并且每个客户端并不会频繁地发送太多数据。Jetty、Mina、Netty、ZooKeeper，dubbo等都是基于NIO方式实现。

BIO适用场景

适用于连接数目比较小，并且一次发送大量数据的场景，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中。

因此，不一定是NIO一定性能就高。选择合适的场景才是最重要的。如果使用方式不对，可能不仅不会增加服务吞吐，反而使单个接口响应时间变长。

二、NIO的核心组成

NIO主要有三个核心部分组成：

buffer缓冲区、Channel管道、Selector选择器，他们的关系图如下

2.1 Selector

Selector的英文含义是“选择器”，也可以称为为“轮询代理器”、“事件订阅器”、“channel容器管理机”都行。

应用程序将向Selector对象注册需要它关注的Channel，以及具体的某一个Channel会对哪些IO事件感兴趣。Selector中也会维护一个“已经注册的Channel”的容器。

操作类型 SelectionKey

SelectionKey是一个抽象类,表示selectableChannel在Selector中注册的标识.每个Channel向Selector注册时,都将会创建一个selectionKey。选择键将Channel与Selector建立了关系,并维护了channel事件。

可以通过cancel方法取消键,取消的键不会立即从selector中移除,而是添加到cancelledKeys中,在下一次select操作时移除它.所以在调用某个key时,需要使用isValid进行校验.

在向Selector对象注册感兴趣的事件时，JAVA NIO共定义了四种：OP_READ、OP_WRITE、OP_CONNECT、OP_ACCEPT（定义在SelectionKey中），分别对应读、写、请求连接、接受连接等网络Socket操作。

ServerSocketChannel和SocketChannel可以注册自己感兴趣的操作类型，当对应操作类型的就绪条件满足时OS会通知channel，下表描述各种Channel允许注册的操作类型，Y表示允许注册，N表示不允许注册，其中服务器SocketChannel指由服务器ServerSocketChannel.accept()返回的对象。

服务器启动ServerSocketChannel，关注OP_ACCEPT事件，

客户端启动SocketChannel，连接服务器，关注OP_CONNECT事件

服务器接受连接，启动一个服务器的SocketChannel，这个SocketChannel可以关注OP_READ、OP_WRITE事件，一般连接建立后会直接关注OP_READ事件

客户端这边的客户端SocketChannel发现连接建立后，可以关注OP_READ、OP_WRITE事件，一般是需要客户端需要发送数据了才关注OP_READ事件

连接建立后客户端与服务器端开始相互发送消息（读写），根据实际情况来关注OP_READ、OP_WRITE事件。

我们可以看看每个操作类型的就绪条件。

2.2 Channels

通道，被建立的一个应用程序和操作系统交互事件、传递内容的渠道（注意是连接到操作系统）。那么既然是和操作系统进行内容的传递，那么说明应用程序可以通过通道读取数据，也可以通过通道向操作系统写数据，而且可以同时进行读写。

• 所有被Selector（选择器）注册的通道，只能是继承了SelectableChannel类的子类。
• ServerSocketChannel：应用服务器程序的监听通道。只有通过这个通道，应用程序才能向操作系统注册支持“多路复用IO”的端口监听。同时支持UDP协议和TCP协议。
• ScoketChannel：TCP Socket套接字的监听通道，一个Socket套接字对应了一个客户端IP：端口 到 服务器IP：端口的通信连接。

通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

2.3 buffer缓冲区

Buffer用于和NIO通道进行交互。数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。以写为例，应用程序都是将数据写入缓冲，再通过通道把缓冲的数据发送出去，读也是一样，数据总是先从通道读到缓冲，应用程序再读缓冲的数据。

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存（ 其实就是数组）。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Buffer用于和NIO通道进行交互。数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。以写为例，应用程序都是将数据写入缓冲，再通过通道把缓冲的数据发送出去，读也是一样，数据总是先从通道读到缓冲，应用程序再读缓冲的数据。

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存（ 其实就是数组）。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

2.3.1 buffer重要属性

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

• capacity
• position
• limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明，详细的解释在插图后面。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

2.3.2 Buffer的分配

堆内内存

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每一个Buffer类都有allocate方法(可以在堆上分配，也可以在直接内存上分配)。

分配48字节capacity的ByteBuffer的例子:ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

wrap方法：把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer：

ByteBuffer wrap(byte [] array)

ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)

直接内存(堆外内存)

HeapByteBuffer与DirectByteBuffer，在原理上，前者可以看出分配的buffer是在heap区域的，其实真正flush到远程的时候会先拷贝到直接内存，再做下一步操作；在NIO的框架下，很多框架会采用DirectByteBuffer来操作，这样分配的内存不再是在java heap上，而是在操作系统的C heap上，经过性能测试，可以得到非常快速的网络交互，在大量的网络交互下，一般速度会比HeapByteBuffer要快速好几倍。

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现。

NIO可以使用Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java 堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

堆内内存和对外内存分配code:

/**
 * @author DarkKing
 * 类说明：Buffer的分配
 */
public class AllocateBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("----------Test allocate--------");
        System.out.println("before alocate:"
                + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        //堆上分配
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024000);
        System.out.println("buffer = " + buffer);
        System.out.println("after alocate:"
                + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        // 直接内存分配
        ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(102400);
        System.out.println("directBuffer = " + directBuffer);
        System.out.println("after direct alocate:"
                + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        System.out.println("----------Test wrap--------");
        byte[] bytes = new byte[32];
        buffer = ByteBuffer.wrap(bytes);
        System.out.println(buffer);
        buffer = ByteBuffer.wrap(bytes, 10, 10);
        System.out.println(buffer);
    }
}

堆外内存的优点和缺点

堆外内存，其实就是不受JVM控制的内存。相比于堆内内存有几个优势：

1 减少了垃圾回收的工作，因为垃圾回收会暂停其他的工作（可能使用多线程或者时间片的方式，根本感觉不到）

2 加快了复制的速度。因为堆内在flush到远程时，会先复制到直接内存（非堆内存），然后在发送；而堆外内存相当于省略掉了这个工作。(零拷贝原理)

而福之祸所依，自然也有不好的一面：

 1 堆外内存难以控制，如果内存泄漏，那么很难排查

 2 堆外内存相对来说，不适合存储很复杂的对象。一般简单的对象或者扁平化的比较适合。

直接内存（堆外内存）与堆内存比较

直接内存申请空间耗费更高的性能，当频繁申请到一定量时尤为明显

直接内存IO读写的性能要优于普通的堆内存，在多次读写操作的情况下差异明显

性能测试

/**
 * @author DarkKing
 * 类说明：
 */
public class ByteBufferCompare {
    public static void main(String[] args) {
        allocateCompare();   //分配比较
        operateCompare();    //读写比较
    }
    /**
     * 直接内存 和 堆内存的 分配空间比较
     * 结论： 在数据量提升时，直接内存相比非直接内的申请，有很严重的性能问题
     */
    public static void allocateCompare() {
        int time = 10000000;    //操作次数
        long st = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            //ByteBuffer.allocate(int capacity)   分配一个新的字节缓冲区。
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);      //非直接内存分配申请
        }
        long et = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("在进行" + time + "次分配操作时，堆内存 分配耗时:" + (et - st) + "ms");
        long st_heap = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            //ByteBuffer.allocateDirect(int capacity) 分配新的直接字节缓冲区。
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(2); //直接内存分配申请
        }
        long et_direct = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("在进行" + time + "次分配操作时，直接内存 分配耗时:" + (et_direct - st_heap) + "ms");
    }
    /**
     * 直接内存 和 堆内存的 读写性能比较
     * 结论：直接内存在直接的IO 操作上，在频繁的读写时 会有显著的性能提升
     */
    public static void operateCompare() {
        int time = 100000000;
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2 * time);
        long st = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            //  putChar(char value) 用来写入 char 值的相对 put 方法
            buffer.putChar('a');
        }
        buffer.flip();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            buffer.getChar();
        }
        long et = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("在进行" + time + "次读写操作时，非直接内存读写耗时：" + (et - st) + "ms");
        ByteBuffer buffer_d = ByteBuffer.allocateDirect(2 * time);
        long st_direct = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            //  putChar(char value) 用来写入 char 值的相对 put 方法
            buffer_d.putChar('a');
        }
        buffer_d.flip();
        for (int i = 0; i < time; i++) {
            buffer_d.getChar();
        }
        long et_direct = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("在进行" + time + "次读写操作时，直接内存读写耗时:" + (et_direct - st_direct) + "ms");
    }

执行程序后

可以看到，

1、内存分配方面，在数据量提升时，直接内存相比非直接内的申请，有很严重的性能问题。

2、IO读写方面，直接内存在直接的IO 操作上，在频繁的读写时 会有显著的性能提升

2.3.3 Buffer的读写

从Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

1. 读取Channel写到Buffer。
2. 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子 int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

通过put方法写Buffer的例子：buf.put(127);

put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如， 写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。 更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

换句话说，position现在用于标记读的位置，limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

1. 从Buffer读取数据写入到Channel。
2. 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子:byte aByte = buf.get();

get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

使用Buffer读写数据常见步骤：

1. 写入数据到Buffer
2. 调用flip()方法
3. 从Buffer中读取数据
4. 调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。