NIO中的网络编程基础

# 1. NIO概述

### 1.1 什么是NIO

NIO（New Input/Output）是Java在JDK 1.4版本引入的一种新的I/O模型，它提供了一种更高效、更灵活的I/O操作方式。NIO的核心组件是Buffer、Channel、Selector和Non-blocking IO。

### 1.2 NIO与传统I/O的区别

传统的I/O模型是基于流的，每次从流中读取或写入数据都是阻塞的，即程序需要等待数据就绪才能进行读取或写入操作。而NIO模型是基于缓冲区的，数据通过缓冲区进行读取和写入，实现了非阻塞式的I/O操作。相比传统I/O，NIO具有以下特点：

- 更高效：NIO使用了直接缓冲区和内存映射文件等技术，能够提高数据传输效率。
- 更灵活：NIO提供了多路复用的机制，一个线程可以同时处理多个连接。
- 更可靠：NIO中的非阻塞模型可以更好地处理网络连接的异常情况。

### 1.3 NIO的优势和适用场景

NIO模型相比传统I/O模型具有很多优势，适用于以下场景：

- 高并发网络应用：NIO的多路复用和非阻塞特性使得它能够处理更多的连接，适用于高并发的网络应用。
- 大规模文件传输：NIO的内存映射文件技术能够有效地处理大规模文件的读写操作。
- 高性能网络服务器：NIO的高效和灵活性使得它能够构建高性能的网络服务器。

总结：NIO是一种高效、灵活且可靠的I/O模型，适用于高并发网络应用、大规模文件传输和高性能网络服务器等场景。

# 2. NIO中的核心概念

### 2.1 Buffer

在NIO中，数据是从通道读取到缓冲区，或者从缓冲区写入到通道的。缓冲区实际上是一个数组，其作用是存储数据。常用的缓冲区类型有ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer和DoubleBuffer。

以ByteBuffer为例，创建一个ByteBuffer可以通过如下方式：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);   // 分配一个容量为1024字节的缓冲区

Buffer的一些重要属性和方法：

- capacity：缓冲区的容量
- position：下一个可以被读或写的索引
- limit：缓冲区的界限，不能对界限之外的数据进行读写操作
- mark：标记当前position的值

其中，position、limit和capacity的关系是：0 <= mark <= position <= limit <= capacity

Buffer的常用方法有：

- flip()：将缓冲区从写模式切换到读模式，同时将position设为0，limit设为之前的position值
- clear()：清空缓冲区，可以继续读写数据，清空后position设为0，limit设为capacity
- rewind()：将position设为0，可以重新读取缓冲区中的数据，limit不变
- mark()：将mark设为当前position的值
- reset()：将position设为标记mark的值

### 2.2 Channel

Channel是NIO中用于IO操作的实体，类似于传统IO中的流。不同的是，Channel既可以从缓冲区中读取数据，也可以向缓冲区写入数据。常见的Channel类型有SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel和FileChannel。

以SocketChannel为例，可以通过如下方式创建一个SocketChannel：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);   // 设置为非阻塞模式

Channel的一些常用方法有：

- read()：从通道读取数据到缓冲区
- write()：将数据从缓冲区写入通道
- connect()：连接到远程服务器
- bind()：将通道绑定到指定的本地地址
- close()：关闭通道
- configureBlocking()：设置通道为阻塞或非阻塞模式

### 2.3 Selector

Selector是NIO中的多路复用器，用于检测多个Channel上的事件，例如连接请求、读操作、写操作等。通过一个线程就可以管理多个Channel，提高系统的性能和资源利用率。

Selector的主要方法有：

- open()：创建一个Selector对象
- select()：阻塞等待就绪的Channel，返回值是就绪的Channel数量
- selectedKeys()：获取已选择的键集合
- selectNow()：立即返回已经就绪的Channel数量，不会阻塞
- wakeup()：唤醒阻塞在select()方法上的线程

### 2.4 Non-blocking IO

NIO中的非阻塞IO模型允许一个线程管理多个Channel，提高了系统的并发性能。在非阻塞模式下，当没有数据可读取时，线程不会阻塞，而是可以去执行其他任务。

通过将通道设置为非阻塞模式，可以使用Channel的read()和write()方法进行异步读写操作。例如，可以通过如下方式将SocketChannel设置为非阻塞模式：

socketChannel.configureBlocking(false);

在非阻塞模式下，对通道的读写操作都会立即返回，可以根据返回的结果进行相应的处理。

以上就是NIO中的核心概念，包括Buffer、Channel、Selector和非阻塞IO模型。这些概念是理解和使用NIO的基础，可以帮助我们进行高效的网络编程。在接下来的章节中，我们将进一步探讨NIO中的网络编程基础和实践。

# 3. NIO中的网络编程基础

在本章中，我们将介绍NIO中的网络编程基础知识，包括SocketChannel和ServerSocketChannel的使用、Buffer的使用、Selector的作用和使用以及编写一个简单的NIO网络编程案例。

#### 3.1 SocketChannel和ServerSocketChannel

SocketChannel是NIO中负责进行网络通信的通道之一，用于实现客户端与服务端之间的数据传输。它的使用步骤如下：

1. 打开SocketChannel：使用`SocketChannel.open()`方法打开一个新的SocketChannel对象。
2. 连接到服务器：调用SocketChannel的`connect()`方法连接到服务器。
3. 发送和接收数据：使用SocketChannel的`read()`方法从通道中读取数据，使用`write()`方法向通道中写入数据。
4. 关闭SocketChannel：使用SocketChannel的`close()`方法关闭通道。

ServerSocketChannel则用于服务器端的网络通信，它负责监听客户端的连接请求并创建对应的SocketChannel进行数据传输。使用步骤如下：

1. 打开ServerSocketChannel：使用`ServerSocketChannel.open()`方法打开一个新的ServerSocketChannel对象。
2. 监听端口：调用ServerSocketChannel的`bind()`方法绑定服务器端口，并通过`configureBlocking(false)`方法设置为非阻塞模式。
3. 接收客户端连接：使用ServerSocketChannel的`accept()`方法接收客户端的连接请求，并创建对应的SocketChannel进行数据传输。
4. 发送和接收数据：使用SocketChannel的`read()`方法从通道中读取数据，使用`write()`方法向通道中写入数据。
5. 关闭ServerSocketChannel：使用ServerSocketChannel的`close()`方法关闭通道。

#### 3.2 Buffer的使用

Buffer是NIO中负责存储数据的容器，用于在通道和应用程序之间传输数据。NIO中的Buffer有多种类型，包括ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等，不同的Buffer类型适用于不同的数据类型。

Buffer的使用步骤如下：

1. 分配空间：通过调用Buffer的`allocate()`方法分配一块内存空间。
2. 写入数据：使用Buffer的`put()`方法写入数据到缓冲区中。
3. 切换到读模式：通过调用Buffer的`flip()`方法切换到读模式，即将position重置为0，limit设置为已写入数据的大小。
4. 读取数据：使用Buffer的`get()`方法从缓冲区中读取数据。
5. 切换到写模式或清空缓冲区：通过调用Buffer的`clear()`方法或`compact()`方法切换到写模式，即将position重置为0，limit设置为缓冲区的容量。

#### 3.3 Selector的作用和使用

Selector是NIO中的关键组件之一，用于监听多个通道的事件，实现单线程处理多个通道的I/O操作。使用Selector的步骤如下：

1. 打开Selector：使用`Selector.open()`方法打开一个新的Selector对象。
2. 注册通道：将需要监听事件的通道注册到Selector上，通过SelectableChannel的`register()`方法实现。
3. 选择事件：调用Selector的`select()`方法等待事件发生，该方法将一直阻塞直到至少有一个通道发生了注册的事件。
4. 处理事件：使用Selector的`selectedKeys()`方法获取发生事件的通道集合，然后进行相应的处理。
5. 关闭Selector：使用Selector的`close()`方法关闭Selector。

#### 3.4 编写一个简单的NIO网络编程案例

下面是一个简单的NIO网络编程案例，实现了一个简单的Echo服务器，将客户端发送的数据原样返回给客户端：

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.util.Iterator;

public class EchoServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建