标签：java nio 性能 异步 多线程
简介
NIO的作用就是改进程序的性能。因为有时候程序的性能瓶颈不再是CPU，而是IO。这时候NIO就派上用场了。NIO的原理就是尽量利用系统底层的资源来提高效率，比如利用DMA硬件减小CPU负荷，利用操作系统的epoll机制避免线程频繁切换。通过底层资源提高系统的吞吐量。
缓冲区
缓冲区就是一个固定大小的一组数据。缓冲区有四个非常重要的属性：容量，限制，位置，标记。容量就是一个缓冲区最大能容量的元素数量，限制就是对容量进行逻辑上的限制，位置用于跟踪get或者put方法的位置，标记用于reset函数返回上次固定的位置。
put()方法用于往缓冲区中存入数据，get()方法用于从缓冲区中读取数据。写入操作具体的API有put(byte)、put(index, byte)、put(byte[])、put(byte[], int start, int length)，有单个元素的写入，也有批量的写入。读取操作也一样拥有这四种API。
flip()用于交换未写入的和写入的数据。也就是将limit设为position，将position设为0。一般先存入一组数据之后，经过翻转，再从中读取原本写入的数据。
compact()将已经读过的数据进行压缩，将未读过的数据复制到缓冲区索引号为0的位置。复制之后，原来的数据不会被擦除。
mark()方法用于标记，reset()方法用于返回上次标记的位置。rewind()、clear()、flip()都会重置标记，position()、limit()、看情况，如果小于标记时也会重置标记。
缓冲区之间可以比较。比较一定要相同的类型。比较的依据是缓冲区剩余的内容，与标记、位置、容量、限制等无关。
创建缓冲区可以有两种方法。一种是创建新的缓冲区，调用xxBuffer.allocate，第二是将现有的数组进行封装，缓冲区写入的数据都会写入到原来的数组中。
缓冲区是可以复制的。调用duplicate()。复制出来的缓冲区其实是一个视图。复制出来的缓冲区和原来的缓冲区拥有相同的数据，但是每个缓冲区都有各自的属性，限制、位置、标记都是独立的。复制的时候也可以取缓冲区的一部分，调用slice()。
缓冲区还分为big-endian和little-endian。java.nio.ByteOrder可以获取本机的字节顺序。
还有一种缓冲区称之为直接缓冲区，可以通过xxBuffer.allocateDirect获取。直接缓冲区就是操作性能比普通的缓冲区要高。
ByteBuffer提供了asXXBuffer。比如asShortBuffer、asCharBuffer等。这些缓冲区称之为视图缓冲区。就是将字节缓冲区以另外一种行为提供给其他程序。ByteBuffer还提供了getInt、getLong、getDouble等方法，这些方法称之为视图操作，好像就在操作另外一种类型的缓冲区。写入操作也是一样，也有视图操作。视图缓冲区和视图操作和字节顺序有关，所以在操作之前先设置字节顺序，默认的是BigEndian。
Java不支持无符号的数据类型。但是总是有解决办法的。下面就是一种解决办法。
package com.ronsoft.books.nio.buffers;
import java.nio.ByteBuffer;
/**
* Utility class to get and put unsigned values to a ByteBuffer object.
* All methods here are static and take a ByteBuffer argument.
* Since java does not provide unsigned primitive types, each unsigned
* value read from the buffer is promoted up to the next bigger primitive
* data type. getUnsignedByte() returns a short, getUnsignedShort() returns
* an int and getUnsignedInt() returns a long.
There is no getUnsignedLong()
* since there is no primitive type to hold the value returned. If needed,
* methods returning BigInteger could be implemented.
* Likewise, the put methods take a value larger than the type they will
* be assigning. putUnsignedByte takes a short argument, etc.
*
* @author Ron Hitchens (ron@ronsoft.com)
*/
public class Unsigned
{
public static short getUnsignedByte (ByteBuffer bb)
{
return ((short)(bb.get() & 0xff));
}
public static void putUnsignedByte (ByteBuffer bb, int value)
{
bb.put ((byte)(value & 0xff));
}
public static short getUnsignedByte (ByteBuffer bb, int position)
{
return ((short)(bb.get (position) & (short)0xff));
}
public static void putUnsignedByte (ByteBuffer bb, int position,
int value)
{
bb.put (position, (byte)(value & 0xff));
}
// ---------------------------------------------------------------
public static int getUnsignedShort (ByteBuffer bb)
{
return (bb.getShort() & 0xffff);
}
public static void putUnsignedShort (ByteBuffer bb, int value)
{
bb.putShort ((short)(value & 0xffff));
}
public static int getUnsignedShort (ByteBuffer bb, int position)
{
return (bb.getShort (position) & 0xffff);
}
public static void putUnsignedShort (ByteBuffer bb, int position,
int value)
{
bb.putShort (position, (short)(value & 0xffff));
}
// ---------------------------------------------------------------
public static long getUnsignedInt (ByteBuffer bb)
{
return ((long)bb.getInt() & 0xffffffffL);
}
public static void putUnsignedInt (ByteBuffer bb, long value)
{
bb.putInt ((int)(value & 0xffffffffL));
}
public static long getUnsignedInt (ByteBuffer bb, int position)
{
return ((long)bb.getInt (position) & 0xffffffffL);
}
public static void putUnsignedInt (ByteBuffer bb, int position,
long value)
{
bb.putInt (position, (int)(value & 0xffffffffL));
}
}
最后还有一种映射缓冲区，这种缓冲区一定是直接缓冲区，只能由FileChannel创建。
通道
通道和缓冲区不同，每个操作系统都有不同的实现方式，因此通道的代码一般都是接口或者抽象类。
通道分为阻塞通道和非阻塞通道。非阻塞通道不能在文件通道上使用。
通道类似于一种连接，所以通道是不能循环使用的。通道可以被关闭。关闭可以通过close方法和中断，对通道发送中断信号通道就会关闭。这种设计初看觉得很别扭，但是这样设计是为了便于在不同的操作系统中实现。
通道还支持批量写入或读取多个缓冲区。一般的操作系统都从底层支持批量写入或读取缓冲区，因此Java会将批量操作翻译成系统底层的API调用，让操作系统来完成批量操作，因此速度非常快。
文件通道只能是阻塞通道。比起FileStream，FileChannel还提供了更多的操作，比如指定在某个位置写入数据。文件通道的创建需要FileStream或者RandomAccessFile，文件通道的状态和创建时传入的参数状态是保持一致的，文件的位置是同步的。文件通道还提供了force操作，将文件的修改立即写入文件。文件通道提供了truncate操作，用于设置文件的大小。
文件系统中有个文件洞（File Hole）的概念，就是文件的大小比占用的空间少。比如在文件的1GB位置写入10K数据，那么文件实际善用的空间是10K，而不是1G。
文件锁一个常见的误区是，每个文件只能有一个文件锁，不是每个文件通道对象有一个文件锁，也不是每个线程有一个文件锁，而是每个文件有一个文件锁。因此，在同一个JVM中，如果对一个文件创建了两个文件通道，在同一个地方都加上互斥锁，是不会阻塞的。也就是说，在JVM内部，文件锁是不起作用的。文件锁要记得释放，最好就是将释放的代码放在finally块中。
文件映射缓冲区。这种缓冲区和普通的缓冲区一样，但是数据的内容是放在磁盘上的。映射缓冲区有三种模式，一种是只读，一种是读写，一种是私有。私有模式下，文件的修改是不会写入到文件的，只是保存到缓冲区中。私有模式下，文件的内容会与其他普通的文件通道同步。但是同步的单位是分页，也就是说，私有模式下是否同步跟操作系统的分页大小有关。如果在私有模式下修改文件，那么对应的分页将不再和其他文件通道同步。
通道之间还可以直接传输，相关的方法是transferTo和transferFrom。有些操作系统内核就支持通道之间的传输，因此性能非常高。
文件映射的load()方法可以将整个文件加载到操作系统的文件缓存中，同时文件的内容和磁盘保持同步。
套接字通道和文件通道不同，支持非阻塞模式。每个套接字通道对应了一个套接字。这种通道不能从现有的套接字中创建。
blockingLock()方法会返回一个Object对象，可以用Java中的synchronized关键字对这个对象进行锁定，防止其他的线程对该对象进行修改。套接字通道分为SocketChannel和ServerSocketChannel。ServerSocketChannel只是提供了非阻塞的accept方法。
数据报通道使用UDP协议进行通信。注意，在接收数据的时候，如果缓冲区的容量不够了，那么多出的数据会被\textbf{丢弃}，不会有任何现象。发送数据的时候，如果缓冲区太大，超过了系统的发送队列，那么不会有任何数据会被发送。数据报通道也有connect方法，该方法只是指定发送对象，并不是真正的连接。
管道通道（PipeChannel）和Unix中的管道通信不是同一个概念。NIO中的管道通道只能在一个JVM内部进行通信，而不是进程间的通信。进程间通信可以通过套接字。管道通信在创建的时候通过Pipe.open()即可创建一对通道，SinkChannel和SourceChannel。SinkChannel用于写入，SourceChannel用于读取。通过管道可以实现一个线程只顾写入数据，另外一个线程只顾读取数据，有点类似于Python中的generator对象。管道通道最大的用处就是封装。将一个文件通道或者套接字通道封装成管道通道，提高代码的复用程度。经过实验，发现管道内部存在缓冲，就算另外一边没有读取，写入的一边也可以写入大于1K的数据。
选择器
选择器的具体实现只能是通过操作系统来完成，因此性能比较高。
有关选择器部分的有三个类，Selector、SelectionKey、SelectableChannel。
Selector用于管理多个可选通道和一堆SelectionKey。select方法会阻塞，返回的不是已经就绪的通道数量，而是在这次调用中成为就绪状态的通道数量。selectedKeys()返回的其实是一个Set，而Set不支持多线程，所以如果selectedKeys放在另外的线程迭代，那么在迭代的过程中可能会产生ConcurrentModificationException。
Selector中有三种集合：注册集合、选择集合、取消集合。选择集合只会增加不会减少，减少需要通过迭代器手动删除，每处理一次请求就删除对应的SelectionKey。
选择模式有两种一种是select另外一种是epoll。Select是POSIX标准，而Epoll是Linux特有的。Select最多只能监听1024个通道，而Epoll则没有这种限制。Select每次调用时会扫描所有的通道，因此通道越多性能越差，而Epoll中有一个可用队列，这个队列由操作系统内核来维护的，当一个通道可用时，操作系统就会往队列中增加通道，因此性能不会随着通道数量的增加而变差。
Epoll有两种工作模式，一种是Level Trigger水平触发，另一种是Edge Trigger边缘触发。默认是水平触发，这种模式当通道的数据还没有读取完时，下一次选择之后selectionKeys会马上返回没有读完的通道，而边缘触发则不会，边缘触发的性能更高但是程序出错的可能性更大。
SelectionKey就是通道和选择器的对应关系。提供了readyOps()方法，这个方法返回通道已经就绪的操作。也可以通过isWritable()、isReadable()等方法判断通道是否支持某个操作，这两种方法是等价的。选择键还可以带上一个附件，便于通道获取参数。需要注意的是，附件如果不再使用，应该马上清除掉，否则会造成内存泄露。
SelectableChannel就是可选通道，它可以在多个Selector中注册，注册的时候要提供需要监听的事件，比如OP\_READ、OP\_WRITE。validOps()方法返回这个通道能够监听的操作。JDK中定义了4种兴趣：读、写、连接、接受。SocketChannel是不能接受连接的，所以validOps不会返回接受动作。注册通道可以重复注册，但是第二次注册时只会修改兴趣集，并返回同一个SelectionKey。如果第二次注册的时候已经调用了cancel()方法，然而Selector还没有来得及更新，就会发生CancelledKeyException。
关闭通道应该是一个非常快速的操作，没有任何阻塞。这是JavaNIO的设计目标。这样的设计称为异步关闭。
一般编写代码的时候模板如下：
while(true) {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
while(keys.hasNext()) {
SelectionKey key = keys.next();
// 处理事件
...
// 处理完毕之后删除，这样就表示 这次事件已经处理过了
keys.remove();
}
}
对于多核的计算机而言，只有一个线程在工作是非常低效的，为了在多核计算机上提升性能，必须引入多核线程和多个选择器。每个线程一个选择器，每次接受连接的时候随机分配给一个线程。这是一种方法，另外一种方法是其中一个线程用于接受连接，其余的线程专门负责处理业务。Java NIO读书笔记,布布扣,bubuko.com
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