Java原生网络编程之NIO

什么是Socket？

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信中的中间软件抽象层，它是一组接口。TCP用主机的IP地址加上主机上的端口号作为TCP连接的端点，这种端点就叫做套接字(socket)；

原生JDK网络编程 - BIO

概念：BIO(blocking I/O):同步阻塞。
当客户端有连接请求时，服务端就会需要启动一个线程对客户端的连接进行数据读写，如果客户端不进行读写了，那么这个线程也会等着，这样就会造成阻塞。

ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；Socket负责发起连接操作；连接成功后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信；

原生JDK网络编程 - NIO

概念：NIO库是JDK1.4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都说的通；

和BIO的主要区别

• 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()a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在干任何事情；

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，就什么也不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直到数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他事情。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他通道上执行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）。

NIO三大核心组件

Selector选择器

Selectior意为”选择器“，也可以称为”轮询代理器“、”事件订阅器“、”channel容器管理机“都行。
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操作这个选择器，进而”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；
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；

Channel管道

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。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注册的通道，只能是继承了SelectoableChannel类的子类；
• SelectoableChannel：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；
• SocketChannel：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取到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入；

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。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取缓冲，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。

关系图

SelectionKey

什么是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。SelectionKey将Channel与Selector建立了关系，并维护了channel时间。
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。

Selection类型和就绪条件

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。

服务端和客户端分别感兴趣的类型

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（）返回时的对象。

服务端启动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_RAED事件；
连接建立后客户端与服务器开始相互发送消息(读写)，根据实际情况来关注OP_READ、OP_WRITE事件；