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本文将为我们介绍Java根底NIO相关的常识。首要对NIO进行简介，然后为我们介绍操作体系相关的一些概念，包含：内核态和用户态，体系调用，体系中端，DMA等；然后为我们介绍NIO相关的体系调用：包含select体系调用，Poll体系调用，Epoll体系调用等；最后为我们具体介绍Java的NIO编程：包含Buffer，Chanel，Selector。

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一、NIO简介

1）Java BIO ：同步并堵塞(传统堵塞型)，服务器完成模式为一个衔接一个线程，即客户端有衔接恳求时服务器端就需求启动一个线程进行处理，假如这个衔接不做任何工作会造成不用要的线程开支。

2）Java NIO ：同步非堵塞，服务器完成模式为一个线程处理多个恳求(衔接)，即客户端发送的衔接恳求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到衔接有I/O恳求就进行处理。

二、操作体系的几个概念

1、内核态和用户态

内核态：cpu能够拜访内存的一切数据，包含外围设备，例如硬盘，网卡，CUP也能够将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态：只能受限的拜访内存，且不答应拜访外围设备，占用CPU的才能被剥夺。

为什么要有用户态和内核态？

由于需求约束不同的程序之间的拜访才能, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或许获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 — 用户态和内核态。

什么时候会产生内核态和用户态的切换？

【用户态在需求申请外部资源的时候会切换至内核态】。比方履行体系调用、产生中止、反常等，内核态履行完成会回退至用户态。

2、体系调用

由操作体系完成供给的一切体系调用所构成的调集即程序接口或运用编程接口(Application Programming Interface，API)。【运用程序】同体系之间的接口。

体系调用是操作体系开发的接口，开发者能够运用【体系调用】获取体系资源。便是操作体系的代码开放了一些接口让你运用，比方创立个文件，读取个文件。

常见的体系调用如下：

1、和进程、线程相关 fork创立一个子进程

2、文件相关的 creat chmod chown read从一个文件描述符中读取内容 write——向一个文件描述符中写入内容 close——关闭文件描述符

3、设备相关的 read write

4、信息相关的 get…

5、通讯相关的 pipe

文件描述符

比方咱们履行体系调用，常见文件，翻开文件等。

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

flags：

O_RDONLY          以只读办法翻开文件
O_WRONLY         以只写办法翻开文件
O_RDWR              以读和写的办法翻开文件
上面三个只能挑选一个，下面的能够合理的恣意组合：
O_CREAT             翻开文件，假如文件不存在则树立文件
O_APPEND           强制write()从文件尾开端

mode：参数可选：

#define S_IRWXU 00700     文件一切者可读可写可履行
#define S_IRUSR 00400     文件一切者可读
#define S_IWUSR 00200     文件一切者可写
#define S_IXUSR 00100     文件一切者可履行
#define S_IRWXG 00070     文件用户组可写可读可履行
#define S_IRGRP 00040     文件用户组可读
#define S_IWGRP 00020     文件用户组可写
#define S_IXGRP 00010     文件用户组可履行
#define S_IRWXO 00007     其他用户可写可读可履行
#define S_IROTH 00004     其他用户可读
#define S_IWOTH 00002     其他用户可写

咱们发现这两个体系调用（函数）有一个int类型的回来值，这个回来值便是文件描述符。

好像：

File file = new File("D://a.txt");

中的file。

3、体系中止

中止的分类：

【中止源】是指能够引起中止的原因。一台【处理器】可能有许多中止源,但按其性质和处理办法,大致可分为如下五类：

机器毛病中止，比方掉电。
程序性中止。现行程序自身的反常工作引起的，可分为以下三种：一是程序性过错，非法操作和除数为零等；二是产生特别的运算结果，例如定点溢出；三是程序出现某些预先确定要盯梢的工作，盯梢操作主要用于程序调试open in new window。有些机器把程序性中止称为“反常”，不称为中止。
IO－【输出设备】中止，IO中止。
外中止。来自控制台【中止开关】、计时器、时钟或其他设备，这类中止的处理较简单，实时性强。
调用办理程序。用户程序运用专用指令“调用办理程序”发【中止恳求】，是用户程序和操作体系之间的联络桥梁。

体系中止有什么好处：

1、分时操作，处理CPU的快速处理和慢速IO设备的问题。

2、实时处理，word中能够一边打字一边做拼写查看。

3、毛病处理，会优先处理毛病。

4、DMA

DMA(Direct Memory Access，直接存储器拜访) ，它答应不同速度的硬件设备来沟通，而不需求依赖于[ CPU ](baike.baidu.com/item/ CPU /120556)的很多中止负载。不然，CPU 需求从来源把每一片段的材料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的当地。在这个时刻中，CPU 关于其他的作业来说就无法运用。

当CPU需求拜访外设（磁盘、网卡、usb）的数据时，将使命丢给DMA，有DMA负责运用总线将数据先复制到内存，DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在完毕DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。传输完毕后，宣布中止信号，通知CPU。

5、数据结构位图bitmap：

有一个场景：需求你统计你的搭档的一个月的打卡记录。

你要怎么做，创立三十几个变量，0代表没打卡，1代表已打卡？

事实上咱们运用一个int能表明：

11111111 10101111 11111111 11111110

一个int四个字节，便是三十二位，从第0位开端算第一天的打卡记录，那么有三十二位足够了，因为一个月最多也就31天。

咱们能很简单的看出他第10天和12天没有打卡。

三、NIO相关的体系调用

首要，每个客户端衔接在Linux体系下，都有一个文件描述符fd与之对应，文件描述符有一个编号，不同的编号表明不同的衔接。

1、select体系调用

select体系调用有一个重要参数，为fd文件描述符调集，即你要监听哪些文件描述符（哪些衔接），这个文件描述符调集rset用一个bitmap位图表明，位图巨细为1024，即最多只能监听1024个客户端衔接。

当发起体系调用时，会将rset复制到内核态，然后内核态监听有没有数据能够处理，监听的一切文件描述符都没有数据的话会一直堵塞，直到有数据时，将有数据的fd索引置一，然后回来给用户态

Select缺点：

位图巨细默认1024，有上限。
每次都需求创立一个文件描述符位图并复制到内核态。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

nfds：要检测的文件描述符数量，最大文件描述符加1。
readfds：指定了被读监控的文件描述符集；
writefds：指定了被写监控的文件描述符集；
exceptfds：指定了被破例条件监控的文件描述符集；
timeout：超时时刻。

readfds是个长度为1024的bitmap。咱们都知道fd文件描述符有一个序号，

假如现在我监听3，6，8号的fd，那么位图便是：

...10100100

那么select的具体流程是什么呢？

1、运用程序创立socket，生成文件描述符，并生成bitmap，运用hash的办法将bitmap的对应位置置一。

2、履行体系调用，将bitmap复制至内核空间，根据bitmap遍历对应的文件描述符，一旦有工作产生就回来。

3、用户程序遍历文件描述符，处理恳求。

4、运用程序不断的调用select即可。

select模型现已很不错了，可是依然有缺乏的当地：

bitmap位图上限是1024，所以能监控的fd最多也就这么多。
fset位图不可重用，每次赋值悉数清零，状况悉数丢失。
fset位图需求不断的进行用户空间到内核空间的复制。
每次查找时刻复杂度都是O(n)。

说句实话，假如没有更好的挑选方案，这都不是问题。

2、Poll体系调用

Poll作业原理与Select基本相同，不同的仅仅将位图数组改成数组，也有材料说是链表，没有了最大衔接数1024的约束，依然有fd调集的复制和O(n)的遍历进程。

 int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

这个体系调用的

fds：存放需求被检测状况的套接字描述符，与select不同（select在调用之后会清空这个数组），每当调用这个数组，体系不会清空这个数组，而是存放revents状况改变描述符变量，这样才做起来很便利。
nfds：用于符号数组fd中struct pollfd结构元素的总数量。
timeout：是超时时刻。
回来值大于零表明成功，回来满足条件的文件描述符的个数

回来值等于零，表明超时。

回来值等于-1 产生过错，比方描述符不合法，接受到中止信号，内存缺乏

被检测的套接字运用结构体封装，如下：

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor */
    short events;     /* requested events */
    short revents;    /* returned events */
};

pollfd

fd 文件描述符
events 恳求的工作
revents 回来的工作

工作的类型比方：

pollin表明文件有数据来、文件描述符可读
pollout表明文件可写
pollerr表明过错产生

poll的优势：

1、很多的 fd的数组被全体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。

2、可重用

3、Epoll体系调用

为处理fd调集复制的问题，epoll选用用户态和内核态同享epoll_fds调集。当调用epoll_wait体系调用时，内核态会去查看有哪些fd有工作，查看完毕后会将同享的epoll_fds调集重排序，将有工作的fd放在前面，并回来有工作的fd个数。

客户端收到回来的个数，就不需求悉数遍历，而是直接处理fd。

1、int epoll_create(int size);
#留意：size参数仅仅告知内核这个 epoll目标会处理的工作大致数目，而不是能够处理的工作的最大个数。在 Linux最新的一些内核版本的完成中，#这个 size参数没有任何意义。
2、int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
#epoll的工作注册函数，epoll_ctl向 epoll目标中增加、修正或许删去感兴趣的工作，回来0表明成功，不然回来–1，此刻需求根据errno过错码##判别过错类型。
#它不同与select()是在监听工作时告知内核要监听什么类型的工作，而是在这里先注册要监听的工作类型。
3、int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
epoll_wait办法回来的工作必然是经过 epoll_ctl增加到 epoll中的。
#第一个参数是epoll_create()的回来值，
#第二个参数表明动作，用三个宏来表明：
#EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
#EPOLL_CTL_MOD：修正现已注册的fd的监听工作；
#EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删去一个fd；
#第三个参数是需求监听的fd，第四个参数是告知内核需求监听什么事

处理流程大致如下：

小事例：

 #define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;
/* Code to set up listening socket, 'listen_sock',
              (socket(), bind(), listen()) omitted */
// 招一个小弟
epollfd = epoll_create1(0);
if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
// 谁有什么事先和小弟说
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: listen_sock");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
for (;;) {
    // 老板在那里等小弟的回应，有回应就去处理
    nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (nfds == -1) {
        perror("epoll_wait");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (n = 0; n < nfds; ++n) {
        if (events[n].data.fd == listen_sock) {
            conn_sock = accept(listen_sock,
                               (struct sockaddr *) &addr, &addrlen);
            if (conn_sock == -1) {
                perror("accept");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            setnonblocking(conn_sock);
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = conn_sock;
            if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,
                          &ev) == -1) {
                perror("epoll_ctl: conn_sock");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        } else {
            do_use_fd(events[n].data.fd);
        }
    }
}

重排相当于置位，每次会把有工作产生的fd排在前边
没有靠背开支，同享内存。
o(1)复杂度。

四、Java的NIO编程

Java NIO三大中心部分：

Buffer（缓冲区）：每个客户端衔接都会对应一个Buffer，读写数据经过缓冲区读写。
Channel（通道）：每个Channel用于衔接Buffer和Selector，通道能够进行双向读写。
Selector（挑选器）：一个挑选器能够对应多个通道，用于监听多个通道的工作。Selector能够监听一切的Channel是否有数据需求读取，当某个Channel有数据时，就去处理，一切Channel都没有数据时，线程能够去履行其他使命。

1、Buffer

public static void main(String[] args) {
    //创立一个Int型的buffer，巨细为5。相当于创立了一个巨细为5的int数组
    IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(5);
    //往buffer中增加数据
    for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
        buffer.put(i*2);
    }
    //buffer读写切换，之前为写数据，调用flip后切换为读
    buffer.flip();
    //读取数据
    while (buffer.hasRemaining()){
        System.out.println(buffer.get());
    }
}

Buffer运用最多的是ByteBuffer，因为在网路传输中一般运用字节传输。

2、Channel

NIO的Channel通道类似于流，可是通道能够一起读写，而流只能读或写。

Channel仅仅一个接口，里边有各种完成类。

经过FileChannel和ByteBuffer将数据写入文件。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    //创立一个文件输出流
    FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("a.txt");
    //经过文件输出流得到一个FileChannel
    FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();
    //创立一个buffer并写入数据
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    buffer.put("hello".getBytes());
    buffer.flip();  //回转，让指针指向数组最初
    //将Buffer中数据写入FileChannel中
    fileChannel.write(buffer);
    fileOutputStream.close();
}

3、Selector

Selector能够检测多个注册的通道上是否有工作产生(留意:多个Channel以工作的办法能够注册到同一个Selector)，假如有工作产生，便获取工作，然后针对每个工作进行相应的处理。这样就能够只用一个单线程去办理多个通道，也便是办理多个衔接和恳求。

只要在衔接/通道真实有读写工作产生时，才会进行读写，就大大地减少了体系开支，而且不用为每个衔接都创立一个线程，不用去维护多个线程。

过程：

当客户端衔接时，会经过ServerSocketChannel得到SocketChannel。
将SocketChannel注册到Selector上，一个Selector能够注册多个SocketChannel。
注册后会回来一个SelectionKey，会和该Selector相关（加入到调集中）。
Selector进行监听select办法，回来有工作产生的通道的个数。
进一步得到各个有工作产生的SelectionKey。
经过SelectionKey反向获取SocketChannel，然后获取Channel的工作类型，并处理Selector经过办理SelectionKey的调集从而去监听各个Channel。

public class NioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 树立一个serversocketchannel
        ServerSocketChannel sever = ServerSocketChannel.open();
        // 非堵塞的通道的配置
        sever.configureBlocking(false);
        // 绑定端口
        sever.bind(new InetSocketAddress(6666));
        // 创立一个selector
        Selector selector = Selector.open();
        // 感兴趣的工作
        sever.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true){
            // 假如回来零，没有消息,堵塞的办法
            int select = selector.select();
            if (select == 0){
                continue;
            }
            // 拿到一切的工作
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                // 拿到这个工作
                SelectionKey key = iterator.next();
                if(key.isAcceptable()){
                    System.out.println("有人连我了！");
                    // 三次握手简历tcp衔接
                    SocketChannel accept = sever.accept();
                    accept.configureBlocking(false);
                    // 树立好衔接今后，注册到selector
                    accept.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                }
                if (key.isReadable()){
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println(new String(buffer.array(),0,buffer.position()));
                    buffer.clear();
                }
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

public class NioClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 衔接一个服务器
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress(6666));
        if(socketChannel.finishConnect()){
            while (true){
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                String next = scanner.next();
                ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap(next.getBytes());
                socketChannel.write(wrap);
            }
        }
    }
}

MappedByteBuffer：能够让文件直接在内存（堆外内存）中修正，不需求操作体系复制一次。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    //读取文件，能进行读写
    RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("a.txt", "rw");
    FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
    /**
 * 参数一：运用的模式（读写模式）
 * 参数二：能够直接修正的起始位置
 * 参数三：能修正的巨细，最多能修正多少字节
 */
    //获取MappedByteBuffer目标
    MappedByteBuffer mBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);
    //修正buffer中内容，修正后直接修正了文件内容
    mBuffer.put(0, (byte)'H');
    randomAccessFile.close();
}

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本文呢为我们介绍了Java根底NIO相关的常识。首要对NIO进行简介，然后为我们介绍操作体系相关的一些概念，包含：内核态和用户态，体系调用，体系中端，DMA等；然后为我们介绍NIO相关的体系调用：包含select体系调用，Poll体系调用，Epoll体系调用等；最后为我们具体介绍了Java的NIO编程：包含Buffer，Chanel，Selector。希望本文的共享能够使你有所收成，假如你想持续深化的学习数据结构与算法的相关常识，或Java相关的常识与技能，能够参阅：

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算法刷题道路可参阅： 算法刷题道路总结与相关材料共享，内含最详尽的算法刷题道路攻略及相关材料共享~

【JavaSE】之NIO简介

一、NIO简介

二、操作体系的几个概念

1、内核态和用户态

2、体系调用

3、体系中止

4、DMA

5、数据结构位图bitmap：

三、NIO相关的体系调用

1、select体系调用

2、Poll体系调用

3、Epoll体系调用

四、Java的NIO编程

1、Buffer

2、Channel

3、Selector

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【JavaSE】之NIO简介

一、NIO简介

二、操作体系的几个概念

1、内核态和用户态

2、体系调用

3、体系中止

4、DMA

5、数据结构位图bitmap：

三、NIO相关的体系调用

1、select体系调用

2、Poll体系调用

3、Epoll体系调用

四、Java的NIO编程

1、Buffer

2、Channel

3、Selector

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