Netty——NIO基础

写模式下，position是写入位置，limit等于容量capacity。flip动作发生后（切换为读模式），position切换为读取位置，limit切换为读取限制。clear动作发生后，状态position=0，limit=capacity。compact()方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式。

package com.clp.netty;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
@Slf4j
public class TestByteBuffer {
public static void main(String[] args) {
//File Channel
//1、输入输出流；2、RandomAccessFile
try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
//准备缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(3); //划分10个字节
while(true) {
//从channel读取数据，写入buffer
int len = channel.read(buffer); //返回值是读到的实际字节数
log.debug("读取到的字节数{}", len);
if(len == -1) break; //没有内容了
//打印buffer的内容
buffer.flip(); //切换到buffer的读模式
while(buffer.hasRemaining()) { //若还有剩余
byte b = buffer.get();
// System.out.println((char)b);
log.debug("实际字节{}", (char)b);
}
//切换到写模式
buffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
}
}
}

package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
public class TestBufferReadWrite {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
buffer.put((byte)0x61); //十六进制97
buffer.put(new byte[]{0x62, 0x63, 0x64}); //b,c,d
System.out.println(buffer);
//System.out.println(buffer.get()); //读索引值为pos的位置的值（结果为0）,同时pos还会往后移一位
System.out.println("------------");
buffer.flip(); //切换读模式
System.out.println(buffer);
System.out.println(buffer.get()); //读索引值为pos的位置的值（结果为97）
System.out.println("------------");
buffer.compact();
System.out.println(buffer);
}
}
结果：
java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]
------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
97
------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]

2.3、ByteBuffer常用方法

-分配空间，可以使用allocate()方法为ByteBuffer分配空间，其他buffer类也有该方法
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(16); //堆内存
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(16); //直接内存
堆内存：读写效率较低，受到垃圾回收的影响。
直接内存：读写效率高（少一次数据的拷贝），不会受到垃圾回收的影响，分配的效率低。
-向buffer写入数据
1、调用channel的read方法
int len = channel.read(buf); //返回值是读到的实际字节数
2、调用buffer自己的put方法
buf.put((byte)127);
-从buffer读取数据到channel
1、调用channel的write()方法
int len = channel.write(buf);
2、调用buffer自己的get()方法
byte b = buf.get();
get()方法会让position读指针向后走，如果想重复读取数据：
可以调用rewind()方法将position重新置为0；
或者调用get(int i)方法获取索引为i的内容，它不会移动指针。
-mark() 和 reset()
mark是一个标记，记录position位置，reset是将pos重置到mark位置

package com.clp.netty;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.nio.ByteBuffer;
@Slf4j
public class TestByteBuffer {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);
buf.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
buf.flip(); //切换到读模式
//从头开始读
buf.get(new byte[4]);
System.out.println(buf);
buf.rewind(); //将pos置为0
System.out.println((char)buf.get() " " buf);
buf.rewind();
//mark & reset
//mark是一个标记，记录position位置，reset是将pos重置到mark位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.mark(); //加标记，索引为2的位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.reset(); //重置到索引为2的位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.rewind();
//get(i)方法。不会改变pos的值
System.out.println((char)buf.get(3) " " buf);
}
}
结果：
java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]
a java.nio.HeapByteBuffer[pos=1 lim=4 cap=10]
a
b
c
d
c
d
d java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]

2.4、字符串与ByteBuffer互转

package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class TestByteBufferString {
public static void main(String[] args) {
//1、字符串转为ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
buffer.put("hello".getBytes()); //默认操作系统的字符集,调用完之后仍为写模式
System.out.println(buffer);
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
System.out.println(str); //因为没有切换回读模式，因此打印失败
buffer.flip(); //手动切换为读模式
System.out.println(buffer);
System.out.println("---------------------------");
//2、Charset
ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello"); //自动切换回读模式
System.out.println(buffer2);
String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
System.out.println(str2); //因为buffer2已经切换回读模式，因此打印成功
System.out.println("---------------------------");
//3、wrap
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes()); //自动切换回读模式
System.out.println(buffer3);
System.out.println("---------------------------");
}
}
结果：
java.nio.HeapByteBuffer[pos=5 lim=16 cap=16]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=16 cap=16]
---------------------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]
hello
---------------------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]
---------------------------

2.5、Scattering Reads（分散读取）

package com.clp.netty;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class TestScatteringReads {
public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel channel = new RandomAccessFile("3parts.txt", "r").getChannel();
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer buf3 = ByteBuffer.allocate(5);
channel.read(new ByteBuffer[]{buf1, buf2, buf3});
buf1.flip();buf2.flip();buf3.flip(); //切换为读模式
System.out.println(buf1);
System.out.println(buf2);
System.out.println(buf3);
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结果：
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=3 cap=3]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=3 cap=3]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]

2.6、GatheringWrites（集中写入）

package com.clp.netty;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class TestGatheringWrites {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buf1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello"); //5B
ByteBuffer buf2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world"); //5B
ByteBuffer buf3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好"); //6B
//写入
try {
FileChannel channel = new RandomAccessFile("1part.txt", "rw").getChannel();
channel.write(new ByteBuffer[]{buf1, buf2, buf3});
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结果：(1part.txt)
helloworld你好

2.7、综合案例——黏包、半包的处理

package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
public class TestByteBufferExam {
public static void main(String[] args) {
/**
* 网络上有许多条数据发送给服务器，数据之间用\n进行分隔，但由于某种原因这些数据在接收时，
* 被进行了重新组合，例如原始数据有3条为：
* HelloWorld\n
* I'm zhangsan\n
* How are you\n
* 变成了下面的两个bytebuffer（黏包、半包）
* Hello World\nI'm zhangsan\nHo
* w are you\n
* 现在要求你编写程序，将错乱的信息恢复成原始的按\n分隔的数据
*/
//模拟网络编程
ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
split(source);
source.put("w are you?\n".getBytes());
split(source);
}
public static void split(ByteBuffer source) {
//切换成读模式
source.flip();
for (int i = 0; i < source.limit(); i ) {
//找到完整消息
if(source.get(i) == '\n') {
int length = i 1 - source.position();
//把这条完成消息存入新的ByteBuffer
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
//从source读，向target写
for (int j = 0; j < length; j ) {
target.put(source.get());
}
target.flip();
System.out.println(target);
}
}
//切换成写模式
source.compact(); //将剩余部分向前移动
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=12 cap=12]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=13 cap=13]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=13 cap=13]

3、文件编程

3.1、FileChannel

FileChannel只能工作在阻塞模式下。

-获取FileChannel
不能直接打开FileChannel，必须通过FileInputStream、FileOutputStream或者RandomAccessFile来获取FileChannel，他们都有getChannel()方法。
通过FileInputStream获取的channel只能读；
通过FileOutputChannel获取的channel只能写；
通过RandomAccessFile是否只能读写根据构造RandomAccessFile时的读写模式决定。
-从FileChannel读取数据到ByteBuffer
会从channel读取数据填充ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1表示到达了文件的末尾。
int readBytes = channel.read(buffer);
-正确写入数据到FileChannel方式：（SocketChannel）
ByteBuffer buffer = ...
buffer.put(..); //存入数据
buffer.flip(); //切换读模式
while(buffer.hasRemaing()) { //检查buffer中是否有剩余数据
channel.write(buffer);
}
在while中调用channel.write()是因为write()方法并不能保证一次将buffer中的内容全部写入channel。
-关闭
channel必须关闭，不过调用了FileInputStream、FileOutputStream或者RandomAccessFile的close()方法回间接地调用channel地close()方法。
-位置
获取当前位置：long pos = channel.position();
设置当前位置：channel.position(newPos);
设置当前位置时，如果设置为文件的末尾：
这时读取回返回-1；
这时写入，回追加内容，但是要注意如果position超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞(00)。
-大小
使用size()方法获取文件的大小。
-强制写入
操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入数据，可以调用force(true)方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘。

3.2、两个Channel传输数据

package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel from = new FileInputStream("from.txt").getChannel();
FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
//效率高（底层利用操作系统的零拷贝进行优化），传输数据有上限（2G数据），可以多次传输来改进
long size = from.size();
for (long left = size; left>0;) {
long n = from.transferTo((size-left), left, to); //返回实际传输的字节数
left -= n;
}
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

3.3、Path

jdk7引入了Path和Paths类。

Path用来表示文件路径；
Paths是工具类，用来获取Path实例。
.代表了当前路径；
..代表了上一级路径。

Path source = Path.get("1.txt"); //相对路径，使用user.dir环境变量来定位1.txt
Path source = Path.get("d:\\1.txt"); //绝对路径，代表了d:\1.txt
Path source = Path.get("d:/1.txt"); //绝对路径，同样代表了d:\1.txt
Path source = Path.get("d:\\data", "projects"); //代表了d:\data\projects
Path path = Path.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
path.normalize(); //正常化路径

3.4、Files

-检查文件是否存在
Path path = Paths.get("helloworld/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));
-创建一级目录
Path path = Path.get("helloworld");
Files.createDirectory(path);
如果目录已经存在，回抛异常FileAlreadyExistsException；
不能一次创建多级目录，否则会抛异常NoSuchFileException。
-创建多级目录
Path path = Paths.get(""helloworld/d1/d2");
Files.createDirectories(path);
-拷贝文件
Path source = Paths.get("helloworld/data.txt");
Path target = Paths.get("helloworld/target.txt");
Files.copy(source, target);
如果文件已经存在，会抛异常FileAlreadyExistsException；
如果希望用source覆盖target，需要用StandardCopyOption来控制：
Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
-移动文件
Path source = Paths.get("helloworld/data.txt");
Path target = Paths.get("helloworld/data.txt");
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE保证文件移动的原子性。
-删除文件
Path target = Paths.get("helloworld/target.txt");
Files.delete(target);
如果文件不存在，会抛异常NoSunchFileException。
-删除目录
Path target = Paths.get("helloworld/d1");
Files.delete(target);
如果目录还有内容，会抛异常DirectoryNotEmptyException。
-遍历目录和文件
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//不能使用局部变量来使用，故使用AtomicInteger
AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
//从c:\\my开始遍历
Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\project"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
@Override
public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("=====>" dir);
dirCount.incrementAndGet();
return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
}
@Override
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
//检查文件是否是以.jar结尾
if(file.toString().endsWith(".jar")) {
System.out.println(file);
}
fileCount.incrementAndGet();
return super.visitFile(file, attrs);
}
});
System.out.println("dir count:" dirCount);
System.out.println("file count:" fileCount);
}
}
-删除多级目录
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Drivers"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
@Override //进入目录之前
public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("====>进入" dir);
return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
}
@Override //访问文件
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("访问文件：" file);
return super.visitFile(file, attrs);
}
@Override //退出目录之后
public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
System.out.println("====>退出" dir);
return super.postVisitDirectory(dir, exc);
}
});
}
}
-文件夹的复制
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
String source = "C:\\source";
String target = "C:\\target";
Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
//将target目录名替换为source目录名,返回最终的名字
String targetName = path.toString().replace(source, target);
if(Files.isDirectory(path)) {
//是目录,就创建目录
try {
Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}else if(Files.isRegularFile(path)) {
//是文件，就复制文件
try {
Files.copy(path, Paths.get(targetName));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}

4、网络编程

4.1、非阻塞 vs 阻塞

阻塞：

阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停。
ServerSocketChannel.accept()会在没有连接建立时让线程暂停；
SocketChannel.read()会在没有数据可读时让线程暂停；
阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用cpu，但线程相当于闲置。
单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持。
但多线程下，有新的问题，体现在以下方面：
32位jvm一个线程320k，64位jvm一个线程1024k，如果连接数过多，必然导致OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低。
可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接。

非阻塞：

非阻塞模式下，相关方法都不会让线程暂停。
在ServerChannel.accept()在没有连接建立时，会返回null，继续运行；
SocketChannel.read()在没有数据可读时，会返回0，但线程不必阻塞，可以去执行其它SocketChannel的read()或是去执行ServerSocketChannel.accept()；
写数据时，线程只是等待数据写入Channel即可，无需等Channel通过网络把数据发送出去。
但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了cpu；
数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO改进的地方）。

多路复用：

单线程可以配合Selector完成对多个Channel可读写事件的监控，这称之为多路复用。
多路复用仅针对网络IO，普通文件IO没法利用多路复用。
如果不用Selector的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而Selector能够保证：
有可连接事件时才去连接；
有可读事件才去读取；
有可写事件才去写入。
限于网络传输能力，Channel未必时时可写，一旦Channel可写，会触发Selector的可写事件。

非阻塞模式：

package com.clp.netty2;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//*创建selector,可以管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
//使用nio来理解阻塞模式，单线程
//0、创建ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1、创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //切换成非阻塞模式，会影响accept()方法。
//*建立selector和channel的联系（注册）
//*SelectionKey就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
/**
* 事件：
* accept：会在有连接请求时触发
* connect：在客户端连接建立后触发
* read：可读事件
* write：可写事件
*/
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); //指明sscKey只关注accept事件
//2、绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
/**************************使用selector**************************/
while(true) {
//3、select()方法,没有事件发生，线程阻塞；有事件，线程才会恢复运行
//select在事件未处理时，它不会阻塞。事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理。
selector.select();
//4、处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
//selector会在发生事件后，向selectedKeys集合中加入这个key，但不会删除。
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
//遍历事件集合
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
//处理key时，要从selectedKeys集合中删除
iter.remove(); //移除这个key，不能用增强for，因为不能在遍历时删除
log.debug("key:{}", key);
//5、区分事件类型
if(key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();//建立连接
// key.cancel(); //若不想处理事件，则可以取消事件，则下次select.select()时不会阻塞
sc.configureBlocking(false);
//将sc注册到selector上，这样selector可以管理这个channel的事件
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注读事件
}else if(key.isReadable()) { //如果是read事件
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();//拿到触发事件的channel
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4);
//客户端异常/正常断开，都会产生一个读事件。
int read = channel.read(buffer1); //如果是正常断开，返回值是-1
if(read == -1) key.cancel(); //若正常断开，则将这个key从selector中取消（删除）
else {
buffer1.flip(); //切换为读模式
System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer1));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//客户端异常/正常断开，都会产生一个读事件。
key.cancel(); //将这个key从selector中取消（删除），因为客户端关闭了
}
}
}
}
/**************************不使用selector**************************/
// //3、accept，建立与客户端的连接。
// List<SocketChannel> channels = new ArrayList<SocketChannel>();
// while(true) {
// //log.debug("connecting...");
// //accept()若为阻塞方法，意味着线程在此等待，直到连接建立以后继续执行；
// //若为非阻塞，线程还会继续执行。如果没有连接建立，则sc为null。
// SocketChannel sc = ssc.accept(); //4、SocketChannel数据读写的通道，用来与客户端进行通信
// if(sc != null) {
// log.debug("connected..");
// sc.configureBlocking(false); //非阻塞模式，会影响read()方法
// channels.add(sc);
// }
//
// //5、接收客户端发送的数据
// for(SocketChannel channel : channels) {
// //log.debug("before read...{}", channel);
// //若为阻塞方法，线程停止运行，知道客户端发送新数据才会继续执行
// //若为非阻塞方法，线程仍然会继续运行；如果没有读到数据，read返回0。
// if(channel.read(buffer)>0) {
// buffer.flip(); //切换到读模式
// System.out.println(buffer);
// buffer.clear(); //切换到写模式
// log.debug("after read...{}",channel);
// }
// }
// }
}
}

package com.clp.netty2;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
System.out.println("waiting...");
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello，你好"));
}
}

4.2、Selector-绑定Channel事件

channel必须工作在非阻塞模式；
FileChannel没有非阻塞模式，因此不能配合selector一起使用；
绑定的事件类型可以有：
connect：客户端连接成功时触发；
accept：服务器端成功接收连接时触发；
read：数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂时不能读入的情况；
write：数据可写入时触发，有因为发送能力弱，数据暂时不能写出的情况。

4.3、Selector-监听Channel事件

可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少channel发生了事件。
方法1：阻塞直到绑定事件发生。
int count = selector.select();
方法2：阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为ms）。
int count = selector.select(long timeout);
方法3：不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件。
int count = selector.selectNow();

4.4、Selector-何时不阻塞

事件发生时：
客户端发起连接请求，会触发accept事件；
客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发read事件，另外如果发送的数据大于buffer缓冲区，会触发多次读事件；
channel可写，会触发write事件；
在linux下nio bug发生时。
调用selector.wakeup();
调用selector.close();
selector所在线程interrupt。

4.5、处理消息的边界

一种思维是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽。
另一种思路是按分隔符（如"\n"）拆分，缺点是效率低；
TLV格式，即Type类型、Length长度、Value数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取信息大小，分配合适的buffer，缺点是buffer需要提前分配，如果内容过大，则影响server吞吐量。（Http 1.1是TLV格式，Http 2.0是LTV格式）。

学新通

package com.clp.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
@Slf4j
public class Server {
private static void split(ByteBuffer source) {
source.flip(); //开启读模式
for (int i = 0; i < source.limit(); i ) {
//找到一条完整消息
if(source.get(i) == '\n') {
int length = i 1 - source.position();
//把这条完整消息存入新的ByteBuffer
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
//从source读，向target写
for (int j = 0; j < length; j ) {
target.put(source.get());
}
System.out.println(target);
}
}
source.compact(); //压缩
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
//*创建selector,可以管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
//使用nio来理解阻塞模式，单线程
//0、创建ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1、创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //切换成非阻塞模式，会影响accept()方法。
//*建立selector和channel的联系（注册）
//*SelectionKey就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
/**
* 事件：
* accept：会在有连接请求时触发
* connect：在客户端连接建立后触发
* read：可读事件
* write：可写事件
*/
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); //指明sscKey只关注accept事件
//2、绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
/**************************使用selector**************************/
while(true) {
//3、select()方法,没有事件发生，线程阻塞；有事件，线程才会恢复运行
//select在事件未处理时，它不会阻塞。事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理。
selector.select();
//4、处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
//selector会在发生事件后，向selectedKeys集合中加入这个key，但不会删除。
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
//遍历事件集合
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
//处理key时，要从selectedKeys集合中删除
iter.remove(); //移除这个key，不能用增强for，因为不能在遍历时删除
log.debug("key:{}", key);
//5、区分事件类型
if(key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();//建立连接
// key.cancel(); //若不想处理事件，则可以取消事件，则下次select.select()时不会阻塞
sc.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4); //attachment:附件
//将sc注册到selector上，这样selector可以管理这个channel的事件
//将一个ByteBuffer作为附件关联到selectionKey上
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer1);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注读事件
}else if(key.isReadable()) { //如果是read事件
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();//拿到触发事件的channel
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();//
//客户端异常/正常断开，都会产生一个读事件。
int read = channel.read(buf); //如果是正常断开，返回值是-1
if(read == -1) key.cancel(); //若正常断开，则将这个key从selector中取消（删除）
else {
split(buf);
if(buf.position() == buf.limit()) {
//说明buf没有被压缩，即空间不够存一个消息，需要扩容
ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buf.capacity()*2);
buf.flip(); //切换成读模式
newBuffer.put(buf); //将旧内容写入新buffer
key.attach(newBuffer); //附件替换，newBuffer替换原来的buf，达到扩容的目的
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//客户端异常/正常断开，都会产生一个读事件。
key.cancel(); //将这个key从selector中取消（删除），因为客户端关闭了
}
}
}
}
}
}

package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef\n"));
System.in.read();
}
}

4.5.1、ByteBuffer大小分配

每一个channel都需要记录可能被切分的消息，因为ByteBuffer不能被多个channel共同使用，不是线程安全的，因此需要为每个channel维护一个独立的ByteBuffer；
ByteBuffer不能太大，比如一个ByteBuffer 1Mb的话，要支持百万连接就要1 Tb内存，因此需要设计大小可变的ByteBuffer。

如何设计大小可变的ByteBuffer？

一种思路是首先分配一个较小的buffer，例如4k，如果发现数据不够，再分配8k的buffer，将4k buffer内容拷贝至8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能。
另一种思路是用多个数组组成buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗。

4.6、处理可写事件

package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
public class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //设置为非阻塞模式
Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //注册并关注accept事件
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); //监听端口
while(true) {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
if(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注可读事件
//1、向客户端发送大量数据
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 3000000; i ) {
sb.append("a");
}
ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
//2、返回值代表实际写入的字节数
int write = sc.write(buffer);
System.out.println(write);
//判断buffer是否还有剩余内容
if(buffer.hasRemaining()) {
//既关注读事件(1)，又关注写事件(4)，若为5，说明既读又写事件
scKey.interestOps(scKey.interestOps() SelectionKey.OP_WRITE);
//scKey.interestOps(scKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
//把未写完的数据挂到scKey上
scKey.attach(buffer);
}
}else if(key.isWritable()) {
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//返回值代表实际写入的字节数
int write = sc.write(buf);
System.out.println(write);
//清理操作
if(!buf.hasRemaining()) {
//buf为空，说明写完了
key.attach(null); //清除buffer附件
key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE); //不需要再关注可写事件
}
}
}
}
}
}

package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
//接收数据
int count = 0;
while(true) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
count = sc.read(buffer);
System.out.println(count);
buffer.clear(); //清空buffer
}
}
}

4.7、nio多线程优化

利用多线程优化：现在都是多核CPU，设计时要充分考虑别让CPU的力量被白白浪费。

前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核CPU，如何改进呢？

分两组选择器：

单线程配一个选择器，专门处理accept事件；

创建CPU核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理read事件。

4.7.1、如何拿到CPU个数

Runtime.getRuntime().avaliableProcessors()如果工作在docker容器下，因为容器不是物理隔离的。会拿到物理CPU个数，而不是容器申请时的个数。

这个问题直到jdk 10才修复，使用jvm参数UserContainerSupport配置，默认开启。

5、NIO vs BIO

5.1、stream vs channel

stream不会自动缓冲数据，channel会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）；
stream仅支持阻塞API，channel同时支持阻塞、非阻塞API、网络channel可配合selector实现多路复用；
二者均为全双工，即读写可以同时进行。

5.2、IO模型

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（不存在这种情况）、异步非阻塞。

同步：线程自己去获取结果一个（线程）；
异步：线程自己不去获取结果，而是由其他线程送结果（至少两个线程）。

当调用一次channel.rea()或stream.read()后，会切换至操作系统内核来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

等待数据阶段；
复制数据阶段。

5.2.1、阻塞IO

5.2.2、非阻塞IO

5.2.3、多路复用

5.2.4、信号驱动

5.3、零拷贝

传统IO问题：

传统的IO将一个文件通过socket写出。

File f = new File("helloworld/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, 'r');
byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);
Socket socket = ..;
socket.getOutputStream().write(buf);

学新通

Java本身不具备IO读写能力，因此read()方法调用后，要从Java程序的用户态切换至核心态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区，这期间用户线程阻塞，操作系统使用DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，期间也不会使用CPU。
从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即byte[] buf），这期间CPU会参与拷贝，无法利用DMA。
调用write()方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入socket，CPU会参与拷贝；
接下来要向网卡写数据，这项能力Java又不具备，因此又得从用户态切换至核心态，嗲用操作系统的写能力，使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用CPU。

可以看到中间环节较多，Java的IO实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的读写是操作系统来完成的。

用户态与内核态的切换发生了3次，这个操作比较重量级；
数据拷贝了共4次。

5.3.1、NIO优化

1、通过DirectByteBuf

ByteBuffer.allocate(10); //HeapBuffer，使用的还是java。
ByteBuffer.allocateDirect(10); //DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存。

学新通

大部分步骤与优化前相同，不再赘述，唯有一点：Java可以使用DirectByteBuf将堆外内存映射到JVM内存中来直接访问使用。

这块内存不受jvm垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于IO读写；
Java中的DirectByteBuf对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步：① DirectByteBuf对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列；② 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存。
减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少。

2、进一步优化（底层采用了linux 2.1后提供的sendFile()方法），Java中对应着两个channel调用transferTo() / transferFrom()方法拷贝数据。

学新通

Java调用transferTo()后，要从Java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用CPU；
数据从内核缓冲区传输到socket缓冲区，CPU会参与拷贝；
最后使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用CPU。

可以看到

只发生了一次用户态与内核态的切换；
数据拷贝了3次。

3、进一步优化（linux 2.4）

学新通

Java调用transferTo()后，要从Java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用CPU；
只会将一些offset和length信息拷入socket缓冲区，几乎无消耗；
使用DMA将内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用CPU。

整个过程仅仅发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了2次，所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到jvm内存中，零拷贝的优点有：

更少的用户态与内核态的转换；
不利用CPU计算，减少CPU缓存伪共享；
零拷贝适合小文件传输。

5.4、AIO

AIO用来解决数据复制阶段的阻塞问题。

同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置；
异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统通过回调方式由另外的线程来获得结果。

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持：

Windows系统通过IOCP实现了真正的异步IO；
Linux系统异步IO在2.6版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步IO，性能没有优势。

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Netty——NIO基础

1、三大组件

1.1、Channel & Buffer

1.2、Selector

2、ByteBuffer

2.1、ByteBuffer的使用

2.2、ByteBuffer结构