第3章
Java NIO通信基础详解
高性能的Java通信，绝对离不开Java NIO技术，现在主流的技术框架或中间件服务器，都使用了Java NIO技术，譬如Tomcat、Jetty、Netty。学习和掌握NIO技术，已经不是一项加分技能，而是一项必备技能。不管是面试，还是实际开发，作为Java的“攻城狮”（工程师的谐音），都必须掌握NIO的原理和开发实践技能。
3.1 Java NIO简介
在1.4版本之前，Java IO类库是阻塞IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为JAVA NIO。New IO类库的目标，就是要让Java支持非阻塞IO，基于这个原因，更多的人喜欢称Java NIO为非阻塞IO（Non-Block IO），称“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。总体上说，NIO弥补了原来面向流的OIO同步阻塞的不足，它为标准Java代码提供了高速的、面向缓冲区的IO。
Java NIO由以下三个核心组件组成：
- Channel（通道）
- Buffer（缓冲区）
- Selector（选择器）
如果理解了第1章的四种IO模型，大家一眼就能识别出来，Java NIO，属于第三种模型—— IO 多路复用模型。当然，Java NIO组件，提供了统一的API，为大家屏蔽了底层的不同操作系统的差异。
后面的章节，我们会对以上的三个Java NIO的核心组件，展开详细介绍。先来看看Java的NIO和OIO的简单对比。
3.1.1 NIO和OIO的对比
在Java中，NIO和OIO的区别，主要体现在三个方面：
（1）OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。
何谓面向流，何谓面向缓冲区呢？
OIO是面向字节流或字符流的，在一般的OIO操作中，我们以流式的方式顺序地从一个流（Stream）中读取一个或多个字节，因此，我们不能随意地改变读取指针的位置。而在NIO操作中则不同，NIO中引入了Channel（通道）和Buffer（缓冲区）的概念。读取和写入，只需要从通道中读取数据到缓冲区中，或将数据从缓冲区中写入到通道中。NIO不像OIO那样是顺序操作，可以随意地读取Buffer中任意位置的数据。
（2）OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。
NIO如何做到非阻塞的呢？大家都知道，OIO操作都是阻塞的，例如，我们调用一个read方法读取一个文件的内容，那么调用read的线程会被阻塞住，直到read操作完成。
而在NIO的非阻塞模式中，当我们调用read方法时，如果此时有数据，则read读取数据并返回；如果此时没有数据，则read直接返回，而不会阻塞当前线程。NIO的非阻塞，是如何做到的呢？其实在上一章，答案已经揭晓了，NIO使用了通道和通道的多路复用技术。
（3）OIO没有选择器（Selector）概念，而NIO有选择器的概念。
NIO的实现，是基于底层的选择器的系统调用。NIO的选择器，需要底层操作系统提供支持。而OIO不需要用到选择器。
3.1.2 通道（Channel）
在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（Input Stream），另一个输出流（Output Stream）。通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。
在NIO中，同一个网络连接使用一个通道表示，所有的NIO的IO操作都是从通道开始的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取，也可以向通道写入。
3.1.3 Selector 选择器
首先，回顾一个基础的问题，什么是IO多路复用？指的是一个进程/线程可以同时监视多个文件描述符（一个网络连接，操作系统底层使用一个文件描述符来表示），一旦其中的一个或者多个文件描述符可读或者可写，系统内核就通知该进程/线程。在Java应用层面，如何实现对多个文件描述符的监视呢？需要用到一个非常重要的Java NIO组件——Selector 选择器。
选择器的神奇功能是什么呢？它一个IO事件的查询器。通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。
实现IO多路复用，从具体的开发层面来说，首先把通道注册到选择器中，然后通过选择器内部的机制，可以查询（select）这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。
一个选择器只需要一个线程进行监控，换句话说，我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个通道。这是非常高效的，这种高效来自于Java的选择器组件Selector，以及其背后的操作系统底层的IO多路复用的支持。
与OIO相比，使用选择器的最大优势：系统开销小，系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而大大减小了系统的开销。
3.1.4 缓冲区（Buffer）
应用程序与通道（Channel）主要的交互操作，就是进行数据的read读取和write写入。为了完成如此大任，NIO为大家准备了第三个重要的组件——NIO Buffer（NIO缓冲区）。通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道中。
缓冲区的使用，是面向流的OIO所没有的，也是NIO非阻塞的重要前提和基础之一。
下面从缓冲区开始，详细介绍NIO的Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）三大核心组件。
3.2 详解NIO Buffer类及其属性
NIO的Buffer（缓冲区）本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以从中读取数据。NIO的Buffer类，是一个抽象类，位于java.nio包中，其内部是一个内存块（数组）。
NIO的Buffer与普通的内存块（Java数组）不同的是：NIO Buffer对象，提供了一组更加有效的方法，用来进行写入和读取的交替访问。
需要强调的是：Buffer类是一个非线程安全类。
3.2.1 Buffer类
Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型，在NIO中有8种缓冲区类，分别如下：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer。
前7种Buffer类型，覆盖了能在IO中传输的所有的Java基本数据类型。第8种类型MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer类型。
实际上，使用最多的还是ByteBuffer二进制字节缓冲区类型，后面会看到。
3.2.2 Buffer类的重要属性
Buffer类在其内部，有一个byte[]数组内存块，作为内存缓冲区。为了记录读写的状态和位置，Buffer类提供了一些重要的属性。其中，有三个重要的成员属性：capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）。
除此之外，还有一个标记属性：mark（标记），可以将当前的position临时存入mark中；需要的时候，可以再从mark标记恢复到position位置。
1. capacity属性
Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity容量，缓冲区就满了，不能再写入了。
Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时，会按照capacity分配内部的内存。在内存分配好之后，它的大小当然就不能改变了。
再强调一下，capacity容量不是指内存块byte[]数组的字节的数量。capacity容量指的是写入的数据对象的数量。
前面讲到，Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来新建对象。使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如使用DoubleBuffer，则写入的数据是double类型，如果其capacity是100，那么我们最多可以写入100个double数据。
2. position属性
Buffer类的position属性，表示当前的位置。position属性与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，position属性的值是不同的。当缓冲区进行读写的模式改变时，position会进行调整。
在写入模式下，position的值变化规则如下：（1）在刚进入到写模式时，position值为0，表示当前的写入位置为从头开始。（2）每当一个数据写到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写的位置。（3）初始的position值为0，最大可写值position为limit– 1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。
在读模式下，position的值变化规则如下：（1）当缓冲区刚开始进入到读模式时，position会被重置为0。（2）当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。（3）position最大的值为最大可读上限limit，当position达到limit时，表明缓冲区已经无数据可读。
起点在哪里呢？当新建一个缓冲区时，缓冲区处于写入模式，这时是可以写数据的。数据写入后，如果要从缓冲区读取数据，这就要进行模式的切换，可以使用（即调用）flip翻转方法，将缓冲区变成读取模式。
在这个flip翻转过程中，position会进行非常巨大的调整，具体的规则是：position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。flip翻转的另外一半工作，就是要调整limit属性。
3. limit属性
Buffer类的limit属性，表示读写的最大上限。limit属性，也与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，limit的值的含义是不同的。
在写模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入到写模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity容量值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。
在读模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。
一般来说，是先写入再读取。当缓冲区写入完成后，就可以开始从Buffer读取数据，可以使用flip翻转方法，这时，limit的值也会进行非常大的调整。
具体如何调整呢？将写模式下的position值，设置成读模式下的limit值，也就是说，将之前写入的最大数量，作为可以读取的上限值。
在flip翻转时，属性的调整，将涉及position、limit两个属性，这种调整比较微妙，不是太好理解，举一个简单例子：
首先，创建缓冲区。刚开始，缓冲区处于写模式。position为0，limit为最大容量。
然后，向缓冲区写数据。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。
这时，使用（即调用）flip方法，将缓冲区切换到读模式。limit的值，先会被设置成写模式时的position值。这里新的limit是5，表示可以读取的最大上限是5个数。同时，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。
3.2.3 4个属性的小结
除了前面的3个属性，第4个属性mark（标记）比较简单。就是相当一个暂存属性，暂时保存position的值，方便后面的重复使用position值。
下面用一个表格总结一下 Buffer类的4个重要属性，参见表3-1。
表3-1 Buffer四个重要属性的取值说明
3.3 详解NIO Buffer类的重要方法
本小节将详细介绍Buffer类使用中常用的几个方法，包含Buffer实例的获取、对Buffer实例的写入、读取、重复读、标记和重置等。
3.3.1 allocate()创建缓冲区
在使用Buffer（缓冲区）之前，我们首先需要获取Buffer子类的实例对象，并且分配内存空间。
为了获取一个Buffer实例对象，这里并不是使用子类的构造器new来创建一个实例对象，而是调用子类的allocate()方法。
下面的程序片段就是用来获取一个整型Buffer类的缓冲区实例对象，代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
public static void allocatTest()
{
//调用allocate方法，而不是使用new
intBuffer = IntBuffer.allocate(20);
//输出buffer的主要属性值
Logger.info("------------after allocate------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}例子中，IntBuffer是具体的Buffer子类，通过调用IntBuffer.allocate(20)，创建了一个Intbuffer实例对象，并且分配了20 * 4个字节的内存空间。
通过程序的输出结果，我们可以查看一个新建缓冲区实例对象的主要属性值，如下所示：
allocatTest |> ------------after allocate------------------
allocatTest |> position=0
allocatTest |> limit=20
allocatTest |> capacity=20
从上面的运行结果，可以看出：
一个缓冲区在新建后，处于写入的模式，position写入位置为0，最大可写上限limit为的初始化值（这里是20），而缓冲区的容量capacity也是初始化值。
3.3.2 put()写入到缓冲区
在调用allocate方法分配内存、返回了实例对象后，缓冲区实例对象处于写模式，可以写入对象。要写入缓冲区，需要调用put方法。put方法很简单，只有一个参数，即为所需要写入的对象。不过，写入的数据类型要求与缓冲区的类型保持一致。
接着前面的例子，向刚刚创建的intBuffer缓存实例对象中，写入的5个整数，代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了创建缓冲区的代码，具体看源代码工程
public static void putTest()
{
for (int i = 0; i< 5; i++)
{
//写入一个整数到缓冲区
intBuffer.put(i);
}
//输出缓冲区的主要属性值
Logger.info("------------after put------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}写入5个元素后，同样输出缓冲区的主要属性值，输出的结果如下：
putTest |> ------------after putTest------------------ putTest |> position=5
putTest |> limit=20
putTest |> capacity=20
从结果可以看到，position变成了5，指向了第6个可以写入的元素位置。而limit最大写入元素的上限、capacity最大容量的值，并没有发生变化。
3.3.3 flip()翻转
向缓冲区写入数据之后，是否可以直接从缓冲区中读取数据呢？呵呵，不能。
这时缓冲区还处于写模式，如果需要读取数据，还需要将缓冲区转换成读模式。flip()翻转方法是Buffer类提供的一个模式转变的重要方法，它的作用就是将写入模式翻转成读取模式。
接着前面的例子，演示一下flip()方法的使用：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了缓冲区的创建、写入的代码，具体看源代码工程
public static void flipTest()
{
//翻转缓冲区，从写模式翻转成读模式
intBuffer.flip();
//输出缓冲区的主要属性值
Logger.info("------------after flip ------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}在调用flip进行模式翻转之后，缓冲区的属性有了奇妙的变化，输出如下：
flipTest |> ------------after flipTest ------------------
flipTest |> position=0
flipTest |> limit=5
flipTest |> capacity=20
调用flip方法后，之前写入模式下的position值5，变成了可读上限limit值5；而新的读取模式下的position值，简单粗暴地变成了0，表示从头开始读取。
对flip()方法的从写入到读取转换的规则，详细的介绍如下：
首先，设置可读的长度上限limit。将写模式下的缓冲区中内容的最后写入位置position值，作为读模式下的limit上限值。
其次，把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读。
最后，清除之前的mark标记，因为mark保存的是写模式下的临时位置。在读模式下，如果继续使用旧的mark标记，会造成位置混乱。
有关上面的三步，其实可以查看flip方法的源代码，Buffer.flip()方法的源代码如下：
public final Buffer flip() {
limit = position; //设置可读的长度上限limit,为写入的position
position = 0; //把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读mark = UNSET_MARK; // 清除之前的mark标记
return this;
}
至此，大家都知道了，如何将缓冲区切换成读取模式。
新的问题来了，在读取完成后，如何再一次将缓冲区切换成写入模式呢？可以调用Buffer.clear() 清空或者Buffer.compact()压缩方法，它们可以将缓冲区转换为写模式。
Buffer的模式转换，大致如图3-1所示。
图3-1 缓冲区读写模式的转换
3.3.4 get()从缓冲区读取
调用flip方法，将缓冲区切换成读取模式。这时，可以开始从缓冲区中进行数据读取了。读数据很简单，调用get方法，每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。
接着前面flip的使用实例，演示一下缓冲区的读取操作，代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了缓冲区的创建、写入、翻转的代码，具体看源代码工程
public static void getTest()
{
//先读2个
for (int i = 0; i< 2; i++)
{
int j = intBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
//输出缓冲区的主要属性值
Logger.info("------------after get 2 int ------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
//再读3个
for (int i = 0; i< 3; i++)
{
int j = intBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
//输出缓冲区的主要属性值
Logger.info("------------after get 3 int ------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}
先读2个，再读3个，运行后，输出的结果如下：
getTest |> ------------after get 2 int ------------------
getTest |> position=2
getTest |> limit=5
getTest |> capacity=20
getTest |> ------------after get 3 int ------------------
getTest |> position=5
getTest |> limit=5
getTest |> capacity=20从程序的输出结果，我们可以看到，读取操作会改变可读位置position的值，而limit值不会改变。如果position值和limit的值相等，表示所有数据读取完成，position指向了一个没有数据的元素位置，已经不能再读了。此时再读，会抛出BufferUnderflowException异常。
这里强调一下，在读完之后，是否可以立即进行写入模式呢？不能。现在还处于读取模式，我们必须调用Buffer.clear()或Buffer.compact()，即清空或者压缩缓冲区，才能变成写入模式，让其重新可写。
另外，还有一个问题：缓冲区是不是可以重复读呢？答案是可以的。
3.3.5 rewind()倒带
已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。
接着前面的代码，继续rewind方法使用的演示，示例代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了缓冲区的创建、写入、读取的代码，具体看源代码工程
public static void rewindTest() {
//倒带
intBuffer.rewind();
//输出缓冲区属性
Logger.info("------------after rewind ------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}这个范例程序的执行结果如下：
rewindTest |> ------------after rewind ------------------
rewindTest |> position=0
rewindTest |> limit=5
rewindTest |> capacity=20
rewind ()方法，主要是调整了缓冲区的position属性，具体的调整规则如下：
（1）position重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据。
（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从缓冲区中读取多少个元素。
（3）mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了。
Buffer.rewind()方法的源代码如下：
public final Buffer rewind() {
position = 0;//重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据
mark = -1; // mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了
return this;
}通过源代码，我们可以看到rewind()方法与flip()很相似，区别在于：rewind()不会影响limit属性值；而flip()会重设limit属性值。
在rewind倒带之后，就可以再一次读取，重复读取的示例代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了缓冲区的读取、倒带的代码，具体看源代码工程
public static void reRead() {
for (int i = 0; i< 5; i++) {
if (i == 2) {
//临时保存，标记一下第3个位置
intBuffer.mark();
}
//读取元素
int j = intBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
//输出缓冲区的属性值
Logger.info("------------after reRead------------------");
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}这段代码，和前面的读取示例代码基本相同，只是增加了一个mark调用。
3.3.6 mark( )和reset( )
Buffer.mark()方法的作用是将当前position的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；之后，可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。
也就是说，Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是配套使用的。两种方法都需要内部mark属性的支持。
在前面重复读取缓冲区的示例代码中，读到第3个元素（i= =2时），调用mark()方法，把当前位置position的值保存到mark属性中，这时mark属性的值为2。
接下来，就可以调用reset方法，将mark属性的值恢复到position中。然后可以从位置2（第三个元素）开始读。
继续接着前面的重复读取的代码，进行reset的示例演示，代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了缓冲区之前的mark等代码，具体看源代码工程
public static void afterReset() {
Logger.info("------------after reset------------------");
//把前面保存在mark中的值恢复到position
intBuffer.reset();
//输出缓冲区的属性值
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
//读取并且输出元素
for (int i =2; i< 5; i++) {
int j = intBuffer.get();
Logger.info("j = " + j);
}
}
//...
}在上面的代码中，首先调用reset()把mark中的值恢复到position中，因此读取的位置position就是2，表示可以再次开始从第3个元素开始读取数据。上面的程序代码的输出结果是：
afterReset |> ------------after reset------------------
afterReset |> position=2
afterReset |> limit=5
afterReset |> capacity=20
afterReset |> j = 2
afterReset |> j = 3
afterReset |> j = 4
调用reset方法之后，position的值为2。此时去读取缓冲区，输出后面的三个元素为2、3、4。
3.3.7 clear( )清空缓冲区
在读取模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写入模式。此方法会将position清零，limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。
接着上面的实例，演示一下clear方法。代码如下：
package com.crazymakercircle.bufferDemo;
//...
public class UseBuffer
{
static IntBufferintBuffer = null;
//省略了之前的buffer操作代码，具体看源代码工程
public static void clearDemo() {
Logger.info("------------after clear------------------");
//清空缓冲区，进入写入模式
intBuffer.clear();
//输出缓冲区的属性值
Logger.info("position=" + intBuffer.position());
Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
}
//...
}这个程序运行之后，结果如下：
main |>清空
clearDemo |> ------------after clear------------------
clearDemo |> position=0
clearDemo |> limit=20
clearDemo |> capacity=20
在缓冲区处于读取模式时，调用clear()，缓冲区会被切换成写入模式。调用clear()之后，我们可以看到清空了position的值，即设置写入的起始位置为0，并且写入的上限为最大容量。
3.3.8 使用Buffer类的基本步骤
总体来说，使用Java NIO Buffer类的基本步骤如下:
（1）使用创建子类实例对象的allocate()方法，创建一个Buffer类的实例对象。
（2）调用put方法，将数据写入到缓冲区中。
（3）写入完成后，在开始读取数据前，调用Buffer.flip()方法，将缓冲区转换为读模式。
（4）调用get方法，从缓冲区中读取数据。
（5）读取完成后，调用Buffer.clear() 或Buffer.compact()方法，将缓冲区转换为写入模式。
3.4 详解NIO Channel（通道）类
前面讲到，NIO中一个连接就是用一个Channel（通道）来表示。大家知道，从更广泛的层面来说，一个通道可以表示一个底层的文件描述符，例如硬件设备、文件、网络连接等。然而，远远不止如此，除了可以对应到底层文件描述符，Java NIO的通道还可以更加细化。例如，对应不同的网络传输协议类型，在Java中都有不同的NIO Channel（通道）实现。
3.4.1 Channel（通道）的主要类型
这里不对纷繁复杂的Java NIO通道类型进行过多的描述，仅仅聚焦于介绍其中最为重要的四种Channel（通道）实现：FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel。
对于以上四种通道，说明如下：
（1）FileChannel文件通道，用于文件的数据读写。
（2）SocketChannel套接字通道，用于Socket套接字TCP连接的数据读写。
（3）ServerSocketChannel服务器嵌套字通道（或服务器监听通道），允许我们监听TCP连接请求，为每个监听到的请求，创建一个SocketChannel套接字通道。
（4）DatagramChannel数据报通道，用于UDP协议的数据读写。
这个四种通道，涵盖了文件IO、TCP网络、UDP IO基础IO。下面从Channel（通道）的获取、读取、写入、关闭四个重要的操作，来对四种通道进行简单的介绍。
3.4.2 FileChannel文件通道
FileChannel是专门操作文件的通道。通过FileChannel，既可以从一个文件中读取数据，也可以将数据写入到文件中。特别申明一下，FileChannel为阻塞模式，不能设置为非阻塞模式。
下面分别介绍：FileChannel的获取、读取、写入、关闭四个操作。
1. 获取FileChannel通道
可以通过文件的输入流、输出流获取FileChannel文件通道，示例如下：
//创建一条文件输入流
FileInputStreamfis = new FileInputStream(srcFile);
//获取文件流的通道
FileChannelinChannel = fis.getChannel();
//创建一条文件输出流
FileOutputStreamfos = new FileOutputStream(destFile);
//获取文件流的通道
FileChanneloutchannel = fos.getChannel();
也可以通过RandomAccessFile文件随机访问类，获取FileChannel文件通道：
// 创建RandomAccessFile随机访问对象
RandomAccessFileaFile = new RandomAccessFile("filename.txt"，"rw");
//获取文件流的通道
FileChannelinChannel = aFile.getChannel();2. 读取FileChannel通道
在大部分应用场景，从通道读取数据都会调用通道的int read（ByteBufferbuf）方法，它从通道读取到数据写入到ByteBuffer缓冲区，并且返回读取到的数据量。
RandomAccessFileaFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
//获取通道
FileChannelinChannel=aFile.getChannel();
//获取一个字节缓冲区
ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(CAPACITY);
int length = -1;
//调用通道的read方法，读取数据并买入字节类型的缓冲区
while ((length = inChannel.read(buf)) != -1) {
//省略……处理读取到的buf中的数据
}注 意
虽然对于通道来说是读取数据，但是对于ByteBuffer缓冲区来说是写入数据，这时，ByteBuffer缓冲区处于写入模式。
3. 写入FileChannel通道
写入数据到通道，在大部分应用场景，都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法。此方法的参数——ByteBuffer缓冲区，是数据的来源。write方法的作用，是从ByteBuffer缓冲区中读取数据，然后写入到通道自身，而返回值是写入成功的字节数。
//如果buf刚写完数据，需要flip翻转buf，使其变成读取模式
buf.flip();
int outlength = 0;
//调用write方法，将buf的数据写入通道
while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {
System.out.println("写入的字节数：" + outlength);
}注 意
此时的ByteBuffer缓冲区要求是可读的，处于读模式下。
4．关闭通道
当通道使用完成后，必须将其关闭。关闭非常简单，调用close方法即可。
//关闭通道
channel.close();
5．强制刷新到磁盘
在将缓冲区写入通道时，出于性能原因，操作系统不可能每次都实时将数据写入磁盘。如果需要保证写入通道的缓冲数据，最终都真正地写入磁盘，可以调用FileChannel的force()方法。
//强制刷新到磁盘
channel.force(true);
3.4.3 使用FileChannel完成文件复制的实践案例
下面是一个简单的实战案例：使用文件通道复制文件。其功能是：使用FileChannel文件通道，将原文件复制一份，也就是把原文中的数据都复制到目标文件中。完整代码如下：
package com.crazymakercircle.iodemo.fileDemos;
//...省略import的类，具体请参见源代码工程
public class FileNIOCopyDemo {
public static void main(String[] args) {
//演示复制资源文件
nioCopyResouceFile();
}
/**
* 复制两个资源目录下的文件
*/
public static void nioCopyResouceFile() {
String sourcePath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_SRC_PATH;
String srcPath = IOUtil.getResourcePath(sourcePath);
Logger.info("srcPath=" + srcPath);
String destPath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_DEST_PATH;
String destDecodePath = IOUtil.builderResourcePath(destPath);
Logger.info("destDecodePath=" + destDecodePath);
nioCopyFile(srcDecodePath, destDecodePath);
}
/**
* nio方式复制文件
* @param srcPath
* @param destPath
*/
public static void nioCopyFile(String srcPath, String destPath) {
File srcFile = new File(srcPath);
File destFile = new File(destPath);
try {
//如果目标文件不存在，则新建
if (!destFile.exists()) {
destFile.createNewFile();
}
long startTime = System.currentTimeMillis();
FileInputStreamfis = null;
FileOutputStreamfos = null;
FileChannelinChannel = null;
FileChanneloutchannel = null;
try {
fis = new FileInputStream(srcFile);
fos = new FileOutputStream(destFile);
inChannel = fis.getChannel();
outchannel = fos.getChannel();
int length = -1;
ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
//从输入通道读取到buf
while ((length = inChannel.read(buf)) != -1) {
//第一次切换：翻转buf，变成读取模式
buf.flip();
int outlength = 0;
//将buf写入到输出的通道
while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {
System.out.println("写入的字节数：" + outlength);
}
//第二次切换：清除buf，变成写入模式
buf.clear();
}
//强制刷新到磁盘
outchannel.force(true);
} finally {
//关闭所有的可关闭对象
IOUtil.closeQuietly(outchannel);
IOUtil.closeQuietly(fos);
IOUtil.closeQuietly(inChannel);
IOUtil.closeQuietly(fis);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
Logger.info("base复制毫秒数：" + (endTime - startTime));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}特别强调一下，除了FileChannel的通道操作外，还需要注意ByteBuffer的模式切换。新建的ByteBuffer，默认是写入模式，可以作为inChannel.read（ByteBuffer）的参数。inChannel.read方法将从通道inChannel读到的数据写入到ByteBuffer。
此后，需要调用缓冲区的flip方法，将ByteBuffer切换成读取模式，才能作为outchannel.write（ByteBuffer）方法的参数，从ByteBuffer读取数据，再写入到outchannel输出通道。
如此，便是完成一次复制。在进入下一次复制前，还要进行一次缓冲区的模式切换。ByteBuffer数据读完之后，需要将通过clear方法切换成写入模式，才能进入下一次的复制。
在示例代码中，外层的每一轮while循环，都需要两次模式ByteBuffer切换：第一次切换时，翻转buf，变成读取模式；第二次切换时，清除buf，变成写入模式。
上面的示例代码，主要的目的在于：演示文件通道以及字节缓冲区的使用。作为文件复制的程序来说，实战代码的效率不是最高的。
更高效的文件复制，可以调用文件通道的transferFrom方法。具体的代码，可以参见源代码工程中的FileNIOFastCopyDemo类，完整源文件的路径为：
com.crazymakercircle.iodemo.fileDemos.FileNIOFastCopyDemo
3.4.4 SocketChannel套接字通道
在NIO中，涉及网络连接的通道有两个，一个是SocketChannel负责连接传输，另一个是ServerSocketChannel负责连接的监听。
NIO中的SocketChannel传输通道，与OIO中的Socket类对应。
NIO中的ServerSocketChannel监听通道，对应于OIO中的ServerSocket类。
ServerSocketChannel应用于服务器端，而SocketChannel同时处于服务器端和客户端。换句话说，对应于一个连接，两端都有一个负责传输的SocketChannel传输通道。
无论是ServerSocketChannel，还是SocketChannel，都支持阻塞和非阻塞两种模式。如何进行模式的设置呢？调用configureBlocking方法，具体如下：
（1）socketChannel.configureBlocking（false）设置为非阻塞模式。
（2）socketChannel.configureBlocking（true）设置为阻塞模式。
在阻塞模式下，SocketChannel通道的connect连接、read读、write写操作，都是同步的和阻塞式的，在效率上与Java旧的OIO的面向流的阻塞式读写操作相同。因此，在这里不介绍阻塞模式下的通道的具体操作。在非阻塞模式下，通道的操作是异步、高效率的，这也是相对于传统的OIO的优势所在。下面详细介绍在非阻塞模式下通道的打开、读写和关闭操作等操作。
1. 获取SocketChannel传输通道
在客户端，先通过SocketChannel静态方法open()获得一个套接字传输通道；然后，将socket套接字设置为非阻塞模式；最后，通过connect()实例方法，对服务器的IP和端口发起连接。
//获得一个套接字传输通道SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);
//对服务器的IP和端口发起连接socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1"，80));
非阻塞情况下，与服务器的连接可能还没有真正建立，socketChannel.connect方法就返回了，因此需要不断地自旋，检查当前是否是连接到了主机：
while(! socketChannel.finishConnect() ){
//不断地自旋、等待，或者做一些其他的事情…… }
在服务器端，如何获取传输套接字呢？
当新连接事件到来时，在服务器端的ServerSocketChannel能成功地查询出一个新连接事件，并且通过调用服务器端ServerSocketChannel监听套接字的accept()方法，来获取新连接的套接字通道：
//新连接事件到来，首先通过事件，获取服务器监听通道
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
//获取新连接的套接字通道
SocketChannelsocketChannel = server.accept();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
强调一下，NIO套接字通道，主要用于非阻塞应用场景。所以，需要调用configureBlocking（false），从阻塞模式设置为非阻塞模式。
2. 读取SocketChannel传输通道
当SocketChannel通道可读时，可以从SocketChannel读取数据，具体方法与前面的文件通道读取方法是相同的。调用read方法，将数据读入缓冲区ByteBuffer。
ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);
在读取时，因为是异步的，因此我们必须检查read的返回值，以便判断当前是否读取到了数据。read()方法的返回值，是读取的字节数。如果返回-1，那么表示读取到对方的输出结束标志，对方已经输出结束，准备关闭连接。实际上，通过read方法读数据，本身是很简单的，比较困难的是，在非阻塞模式下，如何知道通道何时是可读的呢？这就需要用到NIO的新组件——Selector通道选择器，稍后介绍。
3. 写入到SocketChannel传输通道
和前面的把数据写入到FileChannel文件通道一样，大部分应用场景都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法。
//写入前需要读取缓冲区，要求ByteBuffer是读取模式
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
4. 关闭SocketChannel传输通道
在关闭SocketChannel传输通道前，如果传输通道用来写入数据，则建议调用一次shutdownOutput()终止输出方法，向对方发送一个输出的结束标志（-1）。然后调用socketChannel.close()方法，关闭套接字连接。
//终止输出方法，向对方发送一个输出的结束标志
socketChannel.shutdownOutput();
//关闭套接字连接
IOUtil.closeQuietly(socketChannel);
3.4.5 使用SocketChannel发送文件的实践案例
下面的实践案例是使用FileChannel文件通道读取本地文件内容，然后在客户端使用SocketChannel套接字通道，把文件信息和文件内容发送到服务器。客户端的完整代码如下：
package com.crazymakercircle.iodemo.socketDemos;
//...
public class NioSendClient {
private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
/**
* 向服务器端传输文件
*/
public void sendFile() throws Exception {
try {
String sourcePath = NioDemoConfig.SOCKET_SEND_FILE;
String srcPath = IOUtil.getResourcePath(sourcePath);
Logger.info("srcPath=" + srcPath);
String destFile = NioDemoConfig.SOCKET_RECEIVE_FILE;
Logger.info("destFile=" + destFile);
File file = new File(srcPath);
if (!file.exists()) {
Logger.info("文件不存在");
return;
}
FileChannelfileChannel = new FileInputStream(file).getChannel();
SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.socket().connect(
InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_IP,
NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
socketChannel.configureBlocking(false);
while(! socketChannel.finishConnect() ){
//不断地自旋、等待，或者做一些其他的事情
}
Logger.info("Client成功连接服务器端");
//发送文件名称
ByteBufferfileNameByteBuffer = charset.encode(destFile);
socketChannel.write(fileNameByteBuffer);
//发送文件长度
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate
(NioDemoConfig.SEND_BUFFER_SIZE);
buffer.putLong(file.length());
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
//发送文件内容
Logger.info("开始传输文件");
int length = 0;
long progress = 0;
while ((length = fileChannel.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
progress += length;
Logger.info("| "+(100 * progress / file.length()) + "% |");
}
if (length == -1) {
IOUtil.closeQuietly(fileChannel);
//在SocketChannel传输通道关闭前，尽量发送一个输出结束标志到对端
socketChannel.shutdownOutput();
IOUtil.closeQuietly(socketChannel);
}
Logger.info("======== 文件传输成功 ========");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
NioSendClient client = new NioSendClient(); // 启动客户端连接
client.sendFile(); // 传输文件
}
}以上代码中的文件发送过程：首先发送目标文件名称（不带路径），然后发送文件长度，最后是发送文件内容。代码中的配置项，如服务器的IP、服务器端口、待发送的源文件名称（带路径）、远程的目标文件名称等配置信息，都是从system.properties配置文件中读取的，通过自定义的NioDemoConfig配置类来完成配置。
在运行以上客户端的程序之前，需要先运行服务器端的程序。服务器端的类与客户端的源代码在同一个包下，类名为NioReceiveServer，具体参见源代码工程，我们稍后再详细介绍这个类。
3.4.6 DatagramChannel数据报通道
和Socket套接字的TCP传输协议不同，UDP协议不是面向连接的协议。使用UDP协议时，只要知道服务器的IP和端口，就可以直接向对方发送数据。在Java中使用UDP协议传输数据，比TCP协议更加简单。在Java NIO中，使用DatagramChannel数据报通道来处理UDP协议的数据传输。
1. 获取DatagramChannel数据报通道
获取数据报通道的方式很简单，调用DatagramChannel类的open静态方法即可。然后调用configureBlocking（false）方法，设置成非阻塞模式。
//获取DatagramChannel数据报通道
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
//设置为非阻塞模式
datagramChannel.configureBlocking(false);
如果需要接收数据，还需要调用bind方法绑定一个数据报的监听端口，具体如下：
//调用bind方法绑定一个数据报的监听端口
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(18080));
2. 读取DatagramChannel数据报通道数据
当DatagramChannel通道可读时，可以从DatagramChannel读取数据。和前面的SocketChannel的读取方式不同，不是调用read方法，而是调用receive（ByteBufferbuf）方法将数据从DatagramChannel读入，再写入到ByteBuffer缓冲区中。
//创建缓冲区
ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);
//从DatagramChannel读入，再写入到ByteBuffer缓冲区
SocketAddressclientAddr= datagramChannel.receive(buffer);
通道读取receive（ByteBufferbuf）方法的返回值，是SocketAddress类型，表示返回发送端的连接地址（包括IP和端口）。通过receive方法读数据非常简单，但是，在非阻塞模式下，如何知道DatagramChannel通道何时是可读的呢？和SocketChannel一样，同样需要用到NIO的新组件—Selector通道选择器，稍后介绍。
3. 写入DatagramChannel数据报通道
向DatagramChannel发送数据，和向SocketChannel通道发送数据的方法也是不同的。这里不是调用write方法，而是调用send方法。示例代码如下：
//把缓冲区翻转到读取模式
buffer.flip();
//调用send方法，把数据发送到目标IP+端口
dChannel.send(buffer, new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_IP,
NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));//清空缓冲区，切换到写入模式
buffer.clear();
由于UDP是面向非连接的协议，因此，在调用send方法发送数据的时候，需要指定接收方的地址（IP和端口）。
4. 关闭DatagramChannel数据报通道
这个比较简单，直接调用close()方法，即可关闭数据报通道。
//简单关闭即可
dChannel.close();
3.4.7 使用DatagramChannel数据包通道发送数据的实践案例
下面是一个使用DatagramChannel数据包通到发送数据的客户端示例程序代码。其功能是：获取用户的输入数据，通过DatagramChannel数据报通道，将数据发送到远程的服务器。客户端的完整程序代码如下：
package com.crazymakercircle.iodemo.udpDemos;
//...
public class UDPClient {
public void send() throws IOException {
//获取DatagramChannel数据报通道
DatagramChanneldChannel = DatagramChannel.open();
//设置为非阻塞
dChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SEND_BUFFER_
SIZE);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
Print.tcfo("UDP客户端启动成功！");
Print.tcfo("请输入发送内容:");
while (scanner.hasNext()) {
String next = scanner.next();
buffer.put((Dateutil.getNow() + " >>" + next).getBytes());
buffer.flip();
//通过DatagramChannel数据报通道发送数据
dChannel.send(buffer, new InetSocketAddress(NioDemoConfig.
SOCKET_SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
buffer.clear();
}
//操作四：关闭DatagramChannel数据报通道
dChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
new UDPClient().send();
}
}通过示例程序代码可以看出，在客户端使DatagramChannel数据报通道发送数据，比起在客户端使用套接字SocketChannel发送数据，简单很多。
接下来看看在服务器端应该如何使用DatagramChannel数据包通道接收数据呢？
下面贴出服务器端通过DatagramChannel数据包通道接收数据的程序代码，可能大家目前不一定可以看懂，因为代码中用到了Selector选择器，但是不要紧，下一个小节就介绍它。
服务器端的接收功能是：通过DatagramChannel数据报通道，绑定一个服务器地址（IP+端口），接收客户端发送过来的UDP数据报。服务器端的完整代码如下：
package com.crazymakercircle.iodemo.udpDemos;
//...
public class UDPServer {
public void receive() throws IOException {
//获取DatagramChannel数据报通道
DatagramChanneldatagramChannel = DatagramChannel.open();
//设置为非阻塞模式
datagramChannel.configureBlocking(false);
//绑定监听地址
datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET
_SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
Print.tcfo("UDP服务器启动成功！");
//开启一个通道选择器
Selector selector = Selector.open();
//将通道注册到选择器
datagramChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//通过选择器，查询IO事件
while (selector.select() > 0) {
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys()
.iterator();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SEND
_BUFFER_SIZE);
//迭代IO事件
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKeyselectionKey = iterator.next();
//可读事件，有数据到来
if (selectionKey.isReadable()) {
//读取DatagramChannel数据报通道的数据
SocketAddress client = datagramChannel.receive(buffer);
buffer.flip();
Print.tcfo(new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));
buffer.clear();
}
}
iterator.remove();
}
//关闭选择器和通道
selector.close();
datagramChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
new UDPServer().receive();
}
}在服务器端，首先调用了bind方法绑定datagramChannel的监听端口。当数据到来后，调用了receive方法，从datagramChannel数据包通道接收数据，再写入到ByteBuffer缓冲区中。
除此之外，在服务器端代码中，为了监控数据的到来，使用了Selector选择器。什么是选择器？如何使用选择器呢？欲知后事如何，请听下节分解。
3.5 详解NIO Selector选择器
Java NIO的三大核心组件：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。其中通道和缓冲区，二者的联系也比较密切：数据总是从通道读到缓冲区内，或者从缓冲区写入到通道中。
至此，前面两个组件已经介绍完毕，下面迎来了最后一个非常重要的角色——选择器（Selector）。
3.5.1 选择器以及注册
选择器（Selector）是什么呢？选择器和通道的关系又是什么？
简单地说：选择器的使命是完成IO的多路复用。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况。选择器和通道的关系，是监控和被监控的关系。
选择器提供了独特的API方法，能够选出（select）所监控的通道拥有哪些已经准备好的、就绪的IO操作事件。
一般来说，一个单线程处理一个选择器，一个选择器可以监控很多通道。通过选择器，一个单线程可以处理数百、数千、数万、甚至更多的通道。在极端情况下（数万个连接），只用一个线程就可以处理所有的通道，这样会大量地减少线程之间上下文切换的开销。
通道和选择器之间的关系，通过register（注册）的方式完成。调用通道的Channel.register（Selector sel，int ops）方法，可以将通道实例注册到一个选择器中。register方法有两个参数：第一个参数，指定通道注册到的选择器实例；第二个参数，指定选择器要监控的IO事件类型。
可供选择器监控的通道IO事件类型，包括以下四种：
（1）可读：SelectionKey.OP_READ
（2）可写：SelectionKey.OP_WRITE
（3）连接：SelectionKey.OP_CONNECT
（4）接收：SelectionKey.OP_ACCEPT
事件类型的定义在SelectionKey类中。如果选择器要监控通道的多种事件，可以用“按位或”运算符来实现。例如，同时监控可读和可写IO事件：
//监控通道的多种事件，用“按位或”运算符来实现
int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;
什么是IO事件呢？这个概念容易混淆，这里特别说明一下。这里的IO事件不是对通道的IO操作，而是通道的某个IO操作的一种就绪状态，表示通道具备完成某个IO操作的条件。
比方说，某个SocketChannel通道，完成了和对端的握手连接，则处于“连接就绪”（OP_CONNECT）状态。
再比方说，某个ServerSocketChannel服务器通道，监听到一个新连接的到来，则处于“接收就绪”（OP_ACCEPT）状态。
还比方说，一个有数据可读的SocketChannel通道，处于“读就绪”（OP_READ）状态；一个等待写入数据的，处于“写就绪”（OP_WRITE）状态。
3.5.2 SelectableChannel可选择通道
并不是所有的通道，都是可以被选择器监控或选择的。比方说，FileChannel文件通道就不能被选择器复用。判断一个通道能否被选择器监控或选择，有一个前提：判断它是否继承了抽象类SelectableChannel（可选择通道）。如果继承了SelectableChannel，则可以被选择，否则不能。
简单地说，一条通道若能被选择，必须继承SelectableChannel类。
SelectableChannel类，是何方神圣呢？它提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。Java NIO中所有网络链接Socket套接字通道，都继承了SelectableChannel类，都是可选择的。而FileChannel文件通道，并没有继承SelectableChannel，因此不是可选择通道。
3.5.3 SelectionKey选择键
通道和选择器的监控关系注册成功后，就可以选择就绪事件。具体的选择工作，和调用选择器Selector的select()方法来完成。通过select方法，选择器可以不断地选择通道中所发生操作的就绪状态，返回注册过的感兴趣的那些IO事件。换句话说，一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键的集合中。
这里出现一个新的概念——SelectionKey选择键。SelectionKey选择键是什么呢？简单地说，SelectionKey选择键就是那些被选择器选中的IO事件。前面讲到，一个IO事件发生（就绪状态达成）后，如果之前在选择器中注册过，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键集合中；如果之前没有注册过，即使发生了IO事件，也不会被选择器选中。SelectionKey选择键和IO的关系，可以简单地理解为：选择键，就是被选中了的IO事件。
在编程时，选择键的功能是很强大的。通过SelectionKey选择键，不仅仅可以获得通道的IO事件类型，比方说SelectionKey.OP_READ；还可以获得发生IO事件所在的通道；另外，也可以获得选出选择键的选择器实例。
3.5.4 选择器使用流程
使用选择器，主要有以下三步：
（1）获取选择器实例；（2）将通道注册到选择器中；（3）轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）。
第一步：获取选择器实例
选择器实例是通过调用静态工厂方法open()来获取的，具体如下：
//调用静态工厂方法open()来获取Selector实例
Selector selector = Selector.open();
Selector选择器的类方法open()的内部，是向选择器SPI（SelectorProvider）发出请求，通过默认的SelectorProvider（选择器提供者）对象，获取一个新的选择器实例。Java中SPI全称为（Service Provider Interface，服务提供者接口），是JDK的一种可以扩展的服务提供和发现机制。Java通过SPI的方式，提供选择器的默认实现版本。也就是说，其他的服务提供商可以通过SPI的方式，提供定制化版本的选择器的动态替换或者扩展。
第二步：将通道注册到选择器实例
要实现选择器管理通道，需要将通道注册到相应的选择器上，简单的示例代码如下：
// 2.获取通道
ServerSocketChannelserverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4.绑定连接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));
// 5.将通道注册到选择器上,并制定监听事件为：“接收连接”事件
serverSocketChannel.register(selector，SelectionKey.OP_ACCEPT);上面通过调用通道的register()方法，将ServerSocketChannel通道注册到了一个选择器上。当然，在注册之前，首先要准备好通道。
这里需要注意：注册到选择器的通道，必须处于非阻塞模式下，否则将抛出IllegalBlockingModeException异常。这意味着，FileChannel文件通道不能与选择器一起使用，因为FileChannel文件通道只有阻塞模式，不能切换到非阻塞模式；而Socket套接字相关的所有通道都可以。
其次，还需要注意：一个通道，并不一定要支持所有的四种IO事件。例如服务器监听通道ServerSocketChannel，仅仅支持Accept（接收到新连接）IO事件；而SocketChannel传输通道，则不支持Accept（接收到新连接）IO事件。
如何判断通道支持哪些事件呢？可以在注册之前，可以通过通道的validOps()方法，来获取该通道所有支持的IO事件集合。
第三步：选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
通过Selector选择器的select()方法，选出已经注册的、已经就绪的IO事件，保存到SelectionKey选择键集合中。SelectionKey集合保存在选择器实例内部，是一个元素为SelectionKey类型的集合（Set）。调用选择器的selectedKeys()方法，可以取得选择键集合。
接下来，需要迭代集合的每一个选择键，根据具体IO事件类型，执行对应的业务操作。大致的处理流程如下：
//轮询，选择感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
while (selector.select() > 0) {
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
//根据具体的IO事件类型，执行对应的业务操作
if(key.isAcceptable()) {
// IO事件：ServerSocketChannel服务器监听通道有新连接
} else if (key.isConnectable()) {
// IO事件：传输通道连接成功
} else if (key.isReadable()) {
// IO事件：传输通道可读
} else if (key.isWritable()) {
// IO事件：传输通道可写
}
//处理完成后，移除选择键
keyIterator.remove();
}
}处理完成后，需要将选择键从这个SelectionKey集合中移除，防止下一次循环的时候，被重复的处理。SelectionKey集合不能添加元素，如果试图向SelectionKey选择键集合中添加元素，则将抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。
用于选择就绪的IO事件的select()方法，有多个重载的实现版本，具体如下：
（1）select()：阻塞调用，一直到至少有一个通道发生了注册的IO事件。
（2）select(long timeout)：和select()一样，但最长阻塞时间为timeout指定的毫秒数。
（3）selectNow()：非阻塞，不管有没有IO事件，都会立刻返回。
select()方法返回的整数值（int整数类型），表示发生了IO事件的通道数量。更准确地说，是从上一次select到这一次select之间，有多少通道发生了IO事件。强调一下，select()方法返回的数量，指的是通道数，而不是IO事件数，准确地说，是指发生了选择器感兴趣的IO事件的通道数。
3.5.5 使用NIO实现Discard服务器的实践案例
Discard服务器的功能很简单：仅仅读取客户端通道的输入数据，读取完成后直接关闭客户端通道；并且读取到的数据直接抛弃掉（Discard）。Discard服务器足够简单明了，作为第一个学习NIO的通信实例，较有参考价值。
下面的Discard服务器代码，将选择器使用流程中的步骤进行了细化：
package com.crazymakercircle.iodemo.NioDiscard;
//...
public class NioDiscardServer {
public static void startServer() throws IOException {
// 1.获取选择器
Selector selector = Selector.open();
// 2.获取通道
ServerSocketChannelserverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 3.设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4.绑定连接
serverSocketChannel.bind(newInetSocketAddress(NioDemoConfig
.SOCKET_SERVER_PORT));
Logger.info("服务器启动成功");
// 5.将通道注册的“接收新连接”IO事件，注册到选择器上
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 6.轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
while (selector.select() > 0) {
// 7.获取选择键集合
Iterator<SelectionKey>selectedKeys = selector.selectedKeys().
iterator();
while (selectedKeys.hasNext()) {
// 8.获取单个的选择键，并处理
SelectionKeyselectedKey = selectedKeys.next();
// 9.判断key是具体的什么事件
if (selectedKey.isAcceptable()) {
// 10.若选择键的IO事件是“连接就绪”事件,就获取客户端连接
SocketChannelsocketChannel = serverSocketChannel.accept();
// 11.切换为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 12.将该新连接的通道的可读事件，注册到选择器上
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectedKey.isReadable()) {
// 13.若选择键的IO事件是“可读”事件, 读取数据
SocketChannelsocketChannel = (SocketChannel) selectedKey.
channel();
// 14.读取数据，然后丢弃
ByteBufferbyteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int length = 0;
while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) >0) {
byteBuffer.flip();
Logger.info(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
byteBuffer.clear();
}
socketChannel.close();
}
// 15.移除选择键
selectedKeys.remove();
}
}
// 16.关闭连接
serverSocketChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
startServer();
}
}实现DiscardServer一共分为16步，其中第7到第15步是循环执行的。不断选择感兴趣的IO事件到选择器的选择键集合中，然后通过selector.selectedKeys()获取该选择键集合，并且进行迭代处理。对于新建立的socketChannel客户端传输通道，也要注册到同一个选择器上，使用同一个选择线程，不断地对所有的注册通道进行选择键的选择。
在DiscardServer程序中，涉及到两次选择器注册：一次是注册serverChannel服务器通道；另一次，注册接收到的socketChannel客户端传输通道。serverChannel服务器通道注册的，是新连接的IO事件SelectionKey.OP_ACCEPT；客户端socketChannel传输通道注册的，是可读IO事件SelectionKey.OP_READ。
DiscardServer在对选择键进行处理时，通过对类型进行判断，然后进行相应的处理
（1）如果是SelectionKey.OP_ACCEPT新连接事件类型，代表serverChannel服务器通道发生了新连接事件，则通过服务器通道的accept方法，获取新的socketChannel传输通道，并且将新通道注册到选择器。
（2）如果是SelectionKey.OP_READ可读事件类型，代表某个客户端通道有数据可读，则读取选择键中socketChannel传输通道的数据，然后丢弃。
客户端的DiscardClient代码，则更为简单。客户端首先建立到服务器的连接，发送一些简单的数据，然后直接关闭连接。代码如下：
package com.crazymakercircle.iodemo.NioDiscard;
//...
public class NioDiscardClient {
public static void startClient() throws IOException {
InetSocketAddress address =new InetSocketAddress(NioDemoConfig.
SOCKET_SERVER_IP, NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
// 1.获取通道
SocketChannelsocketChannel = SocketChannel.open(address);
// 2.切换成非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//不断地自旋、等待连接完成，或者做一些其他的事情
while (!socketChannel.finishConnect()) {
}
Logger.info("客户端连接成功");
// 3.分配指定大小的缓冲区
ByteBufferbyteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
byteBuffer.put("hello world".getBytes());
byteBuffer.flip();
//发送到服务器
socketChannel.write(byteBuffer);
socketChannel.shutdownOutput();
socketChannel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
startClient();
}
}如果需要执行整个程序，首先要执行前面的服务器端程序，然后执行后面的客户端程序。
通过Discard服务器的开发实践，大家对NIO Selector（选择）的使用流程，应该了解得非常清楚了。
下面来看一个稍微复杂一点的案例：在服务器端接收文件和内容。
3.5.6 使用SocketChannel在服务器端接收文件的实践案例
本示例演示文件的接收，是服务器端的程序。和前面介绍的文件发送的SocketChannel客户端程序是相互配合使用的。由于在服务器端，需要用到选择器，所以在介绍完选择器后，才开始介绍NIO文件传输的Socket服务器端程序。服务器端接收文件的示例代码如下所示：
package com.crazymakercircle.iodemo.socketDemos;
//...
public class NioReceiveServer {
private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
/**
* 内部类，服务器端保存的客户端对象，对应一个客户端文件
*/
static class Client {
//文件名称
String fileName;
//长度
long fileLength;
//开始传输的时间
long startTime;
//客户端的地址
InetSocketAddressremoteAddress;
//输出的文件通道
FileChanneloutChannel;
}
private ByteBuffer buffer
= ByteBuffer.allocate(NioDemoConfig.SERVER_BUFFER_SIZE);
//使用Map保存每个文件传输，当OP_READ可读时，根据通道找到对应的对象
Map<SelectableChannel, Client>clientMap = new HashMap<SelectableChannel, Client>();
public void startServer() throws IOException {
// 1.获取选择器
Selector selector = Selector.open();
// 2.获取通道
ServerSocketChannelserverChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocketserverSocket = serverChannel.socket();
// 3.设置为非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);
// 4.绑定连接
InetSocketAddress address
= new InetSocketAddress(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
serverSocket.bind(address);
// 5.将通道注册到选择器上,并注册的IO事件为：“接收新连接”
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
Print.tcfo("serverChannel is listening...");
// 6.选择感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
while (selector.select() > 0) {
// 7.获取选择键集合
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
// 8.获取单个的选择键，并处理
SelectionKey key = it.next();
// 9.判断key是具体的什么事件，是否为新连接事件
if (key.isAcceptable()) {
// 10.若接受的事件是“新连接”事件,就获取客户端新连接
ServerSocketChannel server
= (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannelsocketChannel = server.accept();
if (socketChannel == null) continue;
// 11.客户端新连接，切换为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
// 12.将客户端新连接通道注册到选择器上
SelectionKeyselectionKey =
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 为每一条传输通道，建立一个Client客户端对象，放入map，供后面使用
Client client = new Client();
client.remoteAddress
= (InetSocketAddress) socketChannel.getRemoteAddress();
clientMap.put(socketChannel, client);
Logger.info(socketChannel.getRemoteAddress() + "连接成功...");
} else if (key.isReadable()) {
// 13.若接收的事件是“数据可读”事件,就读取客户端新连接
processData(key);
}
// NIO的特点只会累加，已选择的键的集合不会删除
// 如果不删除，下一次又会被select函数选中
it.remove();
}
}
}
/**
* 处理客户端传输过来的数据
*/
private void processData(SelectionKey key) throws IOException {
Client client = clientMap.get(key.channel());
SocketChannelsocketChannel = (SocketChannel) key.channel();
int num = 0;
try {
buffer.clear();
while ((num = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
if (null == client.fileName) {
//客户端发送过来的，首先是文件名
//根据文件名，创建服务器端的文件，将文件通道保存到客户端
String fileName = charset.decode(buffer).toString();
String destPath = IOUtil.getResourcePath(
NioDemoConfig.SOCKET_RECEIVE_PATH);
File directory = new File(destPath);
if (!directory.exists()) {
directory.mkdir();
}
client.fileName = fileName;
String fullName = directory.getAbsolutePath()
+ File.separatorChar + fileName;
Logger.info("NIO 传输目标文件：" + fullName);
File file = new File(fullName);
FileChannelfileChannel
= new FileOutputStream(file).getChannel();
client.outChannel = fileChannel;
}else if (0 == client.fileLength) {
//客户端发送过来的，其次是文件长度
long fileLength = buffer.getLong();
client.fileLength = fileLength;
client.startTime = System.currentTimeMillis();
Logger.info("NIO 传输开始：");
} else {
//客户端发送过来的，最后是文件内容，写入文件内容
client.outChannel.write(buffer);
}
buffer.clear();
}
key.cancel();
} catch (IOException e) {
key.cancel();
e.printStackTrace();
return;
}
// 读取数量-1，表示客户端传输结束标志到了
if (num == -1) {
IOUtil.closeQuietly(client.outChannel);
System.out.println("上传完毕");
key.cancel();
Logger.info("文件接收成功,File Name：" + client.fileName);
Logger.info(" Size：" +
IOUtil.getFormatFileSize(client.fileLength));
long endTime = System.currentTimeMillis();
Logger.info("NIO IO传输毫秒数：" + (endTime - client.startTime));
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
NioReceiveServer server = new NioReceiveServer();
server.startServer();
}
}
由于客户端每次传输文件，都会分为多次传输：
（1）首先传入文件名称。
（2）其次是文件大小。
（3）然后是文件内容。
对应于每一个客户端socketChannel，创建一个Client客户端对象，用于保存客户端状态，分别保存文件名、文件大小和写入的目标文件通道outChannel。
socketChannel和Client对象之间是一对一的对应关系：建立连接的时候，以socketChannel作为键（Key），Client对象作为值（Value），将Client保存在map中。当socketChannel传输通道有数据可读时，通过选择键key.channel()方法，取出IO事件所在socketChannel通道。然后通过socketChannel通道，从map中取到对应的Client对象。
接收到数据时，如果文件名为空，先处理文件名称，并把文件名保存到Client对象，同时创建服务器上的目标文件；接下来再读到数据，说明接收到了文件大小，把文件大小保存到Client对象；接下来再接到数据，说明是文件内容了，则写入Client对象的outChannel文件通道中，直到数据读取完毕。
运行方式：启动这个NioReceiveServer服务器程序后，再启动前面介绍的客户端程序NioSendClient，即可以完成文件的传输。
3.6 本章小结
在编程难度上，Java NIO编程的难度比同步阻塞Java OIO编程大很多。请注意，前面的实践案例，是比较简单的，并不是复杂的通信程序，没有看到“粘包”和“拆包”等问题。如果加上这些问题，代码将会更加复杂。
与Java OIO相比，Java NIO编程大致的特点如下：
（1）在NIO中，服务器接收新连接的工作，是异步进行的。不像Java的OIO那样，服务器监听连接，是同步的、阻塞的。NIO可以通过选择器（也可以说成：多路复用器），后续不断地轮询选择器的选择键集合，选择新到来的连接。
（2）在NIO中，SocketChannel传输通道的读写操作都是异步的。如果没有可读写的数据，负责IO通信的线程不会同步等待。这样，线程就可以处理其他连接的通道；不需要像OIO那样，线程一直阻塞，等待所负责的连接可用为止。
（3）在NIO中，一个选择器线程可以同时处理成千上万个客户端连接，性能不会随着客户端的增加而线性下降。
总之，有了Linux底层的epoll支持，有了Java NIO Selector选择器这样的应用层IO复用技术，Java程序从而可以实现IO通信的高TPS、高并发，使服务器具备并发数十万、数百万的连接能力。Java的NIO技术非常适合用于高性能、高负载的网络服务器。鼎鼎大名的通信服务器中间件Netty，就是基于Java的NIO技术实现的。
当然，Java NIO技术仅仅是基础，如果要实现通信的高性能和高并发，还离不开高效率的设计模式。下一章将开始为大家介绍高性能服务必备的设计模式：Reactor反应器模式。
