Java NIO的核心组件简介和使用

在Java Socket通信中，Java NIO是一个很重要的底层实现类，理解其核心组件和使用方法，将会帮助了解更多在Java NIO基础之上搭建的其它Socket通信应用，例如Netty IO等。

本文将对Java NIO 核心组件做一个简单介绍，读完本文，你将可以读Java NIO有个总体上的认识，并能够通过代码样例，编程实现一个多线程异步消息通信。

1. Java NIO概览

Java NIO全称是Java New Input/Output，是很早在JDK1.4中引入的输入输出类库，之后在JDK7中提供了升级版的NIO2，提供了异步编程模型的IO操作。下文若没有说明，Java NIO是指在JDK7之后的最新NIO类库。

有一个首先需要了解的问题是，为什么会有NIO？和之前的IO类库相比，其带来了哪些优点和改进？

在JDK1.4之前，所有IO操作都是基于流（stream）进行数据读写，其读写操作方法会阻塞，这将大大影响程序的效率。Java NIO一方面解决了阻塞的问题，另一方面对数据块存储、数据处理方面进行了抽象，提供了缓存区、通信通道和选择器三个组件概念，使得程序开发者可以在更深入的层次上介入IO处理过程，对相关的通信进行多线程优化，编程可扩展性大大提高。

下表列出IO和NIO在主要特性上的区别对比，

	IO	NIO
操作对象	面向流	面向缓存区
操作特性	单向操作，或读，或写	支持读写双向操作
读写单位	按字节一一进行读/写 Bytes	按指定块存储大小进行读/写 Block Buffer
支持非阻塞	只支持阻塞读写	支持阻塞和非阻塞读写
通信通道	无，一个流本身就是一个通道	基于通道进行数据传输
单线程 多通道	不支持	支持，通过选择器实现一个线程处理多个通道
异步编程	不支持	支持异步编程模型（自JDK7）

可以看到Java NIO在IO操作上进行了很大幅度的改进和提升。

在Java NIO类库中，有四个核心组件接口，

1. Channel通道
2. Buffer缓存区
3. Selector 选择器
4. CompletionHandler 异步回调处理器

本文将对这四个组件逐一进行讲解，了解其作用和使用方法，并提供简单的代码使用样例。最后给出一个多线程异步通信的使用样例。

2. 通道Channel

一个通道是数据传输的连接，可以和IO设备建立连接，进行数据的获取和传送。在一定程度上，可以认为通道是流的升级版实现。

整个Java NIO中最常用的通道类有如下几个，

• FileChannel，since 1.4
• DatagramChannel，since 1.4
• SocketChannel，since 1.4
• ServerSocketChannel，since 1.4
• AsynchronousFileChannel，since 1.7
• AsynchronousSocketChannel，since 1.7
• AsynchronousServerSocketChannel，since 1.7

其中Asynchronous*这几个类是在JDK7开始提供的NIO 2.0类库，主要提供了异步编程模型，详细见后面异步回调处理器的讨论。

（注：AsynchronousDatagramChannel在JDK7中并没有提供，原先是有准备发布这个类库的，但是由于某些原因，在发布前被删除。）

通道类中使用最多的四个方法是，

• Channel.bind() 绑定连接
• Channel.accept() 建立连接
• Channel.read(buffer) 把数据从缓冲区读到通道
• Channel.write(buffer) 把数据从通道写到缓冲区

一个简单的代码样例如下，

// please note: configure channel blocking state as false
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.configureBlocking(false);

System.out.println("A server is started on port 9000");
ServerSocket serverSocket = server.socket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9000));

// please note: server.accept() will not block current thread
// Accept method will return null directly if no client is connected
SocketChannel channel = null;
int count = 0;
while (channel == null) {
    System.out.println("The server is trying to connect client, count=" + count++);
    channel = server.accept();
    Thread.sleep(500);
}
//channel.read(ByteBuffer)

System.out.println("the end");
channel.close();
server.close();

3. 缓冲区Buffer

Java NIO是基于块进行IO操作，缓冲区就是对这个块的抽象定义，在这个缓冲区中可以反复进行读写，通过通道实现数据的传输。

我们先看看缓冲区是什么样子，一个缓冲区是一个有指定大小的数组，其有读模式和写模式两种状态，请注意在读写不同模式下其Position和Limit的位置指向，

上图的缓冲区中显示了如下三个属性，

• Capacity：缓冲区容量大小
• Position：缓冲区的读写位置，根据当前读/写模式，含义如下
  • 在读模式下，读的当前位置
  • 在写模式下，写的当前位置
• Limit：缓冲区的读写限制位，根据当前读/写模式，含义如下
  • 在读模式下，可以读的最大位置，等于当前缓冲区内数据量，防止读溢出
  • 在写模式下，可以写的最大位置，其实就等于Capacity值，防止写溢出

Java NIO提供如下7个缓冲区类，

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

这几个缓冲类基本覆盖了Java中8个基本数据类型的7个，还有一个boolean没有支持，原因是Java的boolean使用1bit进行存储，而在IO操作中，最小单位是bytes。

缓冲区类中使用最多的几个方法是，

• Buffer.allocate(size) 创建一个指定大小的空缓冲区
• Buffer.wrap(array) 通过一个数组创建一个缓冲区
• Buffer.put() 保存一个数据
• Buffer.flip() 切换写模式到读模式，
• Buffer.get() 读取一个数据
• Buffer.clear() 清空缓冲区

一个简单的代码样例如下，

IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(10);  // #1

System.out.println("write 5 int number into buffer");
for (int i = 0; i < 6; i++) {
    buffer.put(i);                          // #2
}

buffer.flip();                              // #3

for (int i = 0; i < 6; i++) {
    int n = buffer.get();                   // #4
    System.out.println("read number: " + n);
}

buffer.clear();                             // #5

结合样例代码，我们对缓冲区的操作流程描绘成下图，以助理解，

各个步骤的说明，

1. 第一步：初始化一个整型缓冲区，大小为10
2. 第二步：写入5个整型值到缓冲区
3. 第三步：切换写模式到读模式
4. 第四步：从缓冲区读取5个整型值
5. 第五步：重置整型缓冲区，可以进行下一步的写操作

4. 选择器Selector

选择器能够同时监控多个通道的通信情况，方便多线程处理通道事件。开发者可以通过选择器为如下四个通道状态进行监听，

• Connect：一个客户端通道已经准备好了连接远程服务器
• Accept：一个服务器通道已经准备连接客户端，请
• Read：一个通道已经准备好了读操作
• Write：一个通道已经准备好了写操作

上述各个通道状态对应的SelectionKey事件为，

• SelectionKey.OP_CONNECT
• SelectionKey.OP_ACCEPT
• SelectionKey.OP_READ
• SelectionKey.OP_WRITE

需要注意的是，只有通道设置为非阻塞（non-blocking），才能注册到选择器，否则注册时会收到一个IllegalBlockingModeException的异常。

对选择器的通用操作流程为，

• 创建一个选择器Selector selector=Selector.open()
• 注册通道channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE)
• 获取事件key = selector.select()

一个简单的代码样例如下，

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

while(true) {
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

  while( keyIterator.hasNext() ) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();

    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }

    keyIterator.remove();
  }
}

5. 异步回调处理器CompletionHandler

异步回调处理器是在JDK 7之后属于Java NIO 2的异步通信组件之一，它提供一种回调机制，让在通信完成之后异步执行通信结果的处理。CompletionHandler本身是一个接口定义，我们先看看这个接口提供的两个回调方法，

public interface CompletionHandler<V,A> {
  void completed(V result, A attachment);
  void failed(Throwable exc, A attachment);
}

接口的两个回调方法，
1. completed() 当操作成功时调用，返回结果
2. failed() 当操作失败时调用，返回异常信息

在我们看如何使用异步回调处理器之前，我们先了解下为什么要异步回调。

前面讲到，我们知道IO操作是一个耗时的操作，于是在Java NIO编程中提供了非阻塞编程模型，使得在执行通信连接、读、写操作时，当前线程并不会挂起等待，

• Channel.configureBlocking(false);
• Channel.accept()
• Channel.read()
• Channel.write()

非阻塞的执行方式提高了IO操作线程的效率，通过非阻塞，使得当前线程不会没事也被长时间挂起，为当前线程的处理提供了灵活编程空间。但是仔细观察会发现，为了获取某个事件，在程序中会不得不启动一个循环线程，定时的检查连接情况、是否有数据到达等等。下面是两段循环线程的代码样例，

while (channel == null) {
    channel = server.accept();            // #1
    Thread.sleep(500);
}

while(true) {
  int readyChannels = selector.select();  // #2
  if(readyChannels == 0) continue;
  // read the event keys
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
}

第一个：通过定时查询Channel的连接状态
第二个：通过选择器Selector查询Channel的连接和数据读写状态

这种循环线程若配合多线程处理，可以达到非常强大的效果，一个参考实现见后面提供的“非阻塞通信-多子线程异步处理”代码样例，实践过程中也多采用这种方式，通过ServerSocketChannel + Selector + Buffer实现“非阻塞通信-多子线程异步处理”。

但有没有一个办法，使得不再需要起一个循环线程？答案有，在JDK7 NIO 2中引入的三个异步通信通道就实现了这样的需求，

• AsynchronousFileChannel，since 1.7
• AsynchronousSocketChannel，since 1.7
• AsynchronousServerSocketChannel，since 1.7

上述几个异步通信通道在accept/read/write方法上，需要接受一个CompletionHandler回调对象。（注：异步通信通道还可以通过Future方式进行回调，本文为了更好地描述异步实现方式，将不对Future方式进行展开。）

这就是异步回调处理器是作为Java NIO 2的异步通信组件之一，配合异步通信通道实现异步处理机制。异步通信通道执行accept/read/write完毕后，JVM将会启动子线程，根据执行结果，若成功完成就调用对应的回调对象的completed方法，若失败则调用failed方法。

异步回调处理器解决了循环线程检查的问题，但随之而来就是出现各种嵌套回调，大大增加软件编程的复杂度。鱼和熊掌，不可兼得。

下面是一个简单的代码样例，

public static void main(String[] args) throws Exception {
    AsynchronousServerSocketChannel server =
          AsynchronousServerSocketChannel.open();
    server = server.bind(new InetSocketAddress(9000));

   OnAcceptCompletionHandler onAcceptCompletion =
          new OnAcceptCompletionHandler();
    server.accept(null, onAcceptCompletion);

    // app continue to run...
Thread.sleep(100000);
    server.close();
}

public static class OnAcceptCompletionHandler implements
              CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel srv, Object attachment) {
        System.out.println("Received a new client connection.");
        //srv.read(buffer...)
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        System.out.println("Received a failure message on client connection.");
    }
}

6. 多线程异步消息通信

为了更加深入的理解Java NIO通信类库，请点击这里查看一个多线程异步消息通信的简单实现。

在代码中实现了如下的消息通信流程，

在ServerSocketChannel通道有消息时，通过线程池启动异步线程处理消息。测试时，可以使用命令telnet localhost 9000同时启动多个客户端和服务端连接，查看消息通信情况。

7. 更多样例：使用Java NIO进行Socket通信

下面提供各种应用样例，实现从阻塞通信、非阻塞通信，到多线程通信、异步通信的各个实现方法，可供参考和调研时使用，

1. 阻塞通信，通过ServerSocket，请点击这里查看代码。
2. 阻塞通信，通过ServerSocketChannel，请点击这里查看代码。
3. 非阻塞通信，通过ServerSocketChannel，请点击这里查看代码。
4. 非阻塞通信-主线程处理，通过ServerSocketChannel + Selector + Buffer，请点击这里查看代码。
5. 非阻塞通信-多子线程处理，通过ServerSocketChannel + Selector + Buffer，请点击这里查看代码。
6. 非阻塞通信-多子线程异步处理，通过ServerSocketChannel + Selector + Buffer，请点击这里查看代码。
7. 异步通信，通过AsynchronousServerSocketChannel + CompletionHandler，请点击这里查看代码。

上述样例在JDK 8中编译运行通过，并使用Windows 7 SP1 x64的Telnet工具、使用Ubuntu 16.10中的Telnet工具进行测试通信验证。

可以使用如下方法来运行样例和查看通信过程，

1. 启动通信服务端，样例中所有通信服务端将启动在9000端口
2. 使用Telnet工具
   • 在Windows的Shell命令行中，执行telnet 127.0.0.1 9000命令，连接服务端。成功后，按ctrl+ }键退出telnet交互，然后可以通过send hello,world命令发送消息到服务端。若想关闭连接，可以通过close命令关闭连接。更多telnet详细命令见help。
     
   • 在Linux的Shell命令行中，执行telnet 127.0.0.1 9000命令，连接服务端。成功后，然后可以通过输入hello,world字符，按回车键发送消息到服务端。若想关闭连接，按ctrl+ }键退出telnet交互，然后可以通过close命令关闭连接。更多telnet详细命令见help。
     
3. 启动通信客户端
   • 查看客户端消息
   • 查看服务端接受消息

8. 本文讨论的概念和范围

在本文中提及了阻塞、非阻塞、异步的这三个概念，为了避免歧义，这里有必要对三个概念进行描述，这个描述主要针对其在本文中的定义，以助理解，

• 阻塞：在执行通信的连接、读操作、写操作时，若对方无响应，则当前线程会被挂起
• 非阻塞：在执行通信的连接、读操作、写操作时，若对方无响应，当前线程不会被挂起
• 异步：在执行通信的连接、读操作、写操作时，当前线程的执行不受其影响，当通信操作结束后，JVM会启动子线程以异步回调的方式处理通信结果。

上面的阻塞和非阻塞主要是从是否挂起线程的角度来判断。

本文讨论Java NIO的通信过程，讨论范围主要是Java应用程序和JVM之间的交互,

对于JDK/JVM和各个操作系统内核的IO通信交互实现，将需要另外一篇文章进行深入讨论，这将会涉及到JDK IO的更底层实现细节，也需要对各个操作系统的IO操作进行深入的了解。

9. 参考资料

1. Java NIO Tutorial，作者Jakob Jenkov
2. IBM DeveloperWorks – NIO入门
3. IBM DeveloperWorks – NIO 2.0入门
4. JDK-6993126 : (aio) remove AsynchronousDatagramChannel