传统的BIO模式（同步阻塞模式）

在计算机网络中，BIO (Blocking I/O) 是一种同步的 I/O 模型。它的工作原理是：在 BIO 模式下，调用方在发起I/O操作时会被阻塞，直到操作完成后才继续执行

它通常用于基于传统 TCP/IP 协议的客户端和服务器通信。

BIO模式的特点

• 阻塞模式：在进行读取或写入操作时，线程会被阻塞，直到数据准备好或操作完成。对于每个客户端请求，都会分配一个线程来处理，直到请求完成后，线程才会释放。
• 简单易用：因为阻塞 I/O 模型非常直观，它不需要复杂的线程管理或事件驱动机制，对于小型应用或简单的服务器来说，BIO 是一个相对简洁的选择。
• 性能瓶颈：由于每个连接都需要单独的线程进行处理，BIO 会消耗更多的系统资源，并且当连接数增加时，会导致性能下降。特别是在并发量很大的情况下，BIO 的效率就变得较低。
• 适用于低并发的应用场景：BIO 最适合用在连接数较少且并发请求量不大的应用中，比如传统的客户端-服务器模型，或者早期的网络服务。

BIO 的缺点

• 线程资源浪费：每个连接都需要一个单独的线程，线程管理和上下文切换会导致系统资源浪费，尤其在连接数较多时，会对系统性能产生负面影响。
• 不适合高并发应用：对于高并发的场景，BIO 模型的性能会大幅下降，因为线程数过多时会导致线程切换和内存消耗过大，甚至可能导致服务器崩溃。

改进后的模式——NIO模式（同步非阻塞模式）

NIO (New Input/Output) 是 Java 1.4 引入的一种非阻塞式 I/O 模型，它相较于传统的 BIO (Blocking I/O) 模型，提供了更高效的 I/O 操作，特别是在处理大量并发连接时。NIO 通过支持非阻塞 I/O 操作、缓冲区、选择器等机制，N基于I/O多路复用实现的，它可以只用一个线程处理多个客户端I/O，线程不会在执行读取或写入操作时被阻塞。线程可以在等待数据时继续做其他事情，当数据准备好时，NIO 会通过回调机制告知应用程序，显著提高了系统的性能，尤其适用于高并发的网络编程。

NIO的特点

• 非阻塞 I/O：NIO 中的 I/O 操作是非阻塞的。也就是说，在进行读写操作时，线程不会被阻塞，线程可以继续处理其他任务，直到数据准备好。
• 双向读写：channel作为I/O 操作的数据流通道，可以用于读写数据。
• 线程的多路复用：选择器（Selector） 使得一个线程可以同时监控多个通道，检测哪些通道可以进行 I/O 操作。允许一个线程在多个通道之间进行多路复用。
• 缓冲机制：NIO 中的所有数据读写操作都通过 缓冲区（Buffer） 来完成。缓冲区是一个在内存中临时存储数据的区域

NIO 的主要组成部分

• 选择器（Selector）：
  • 选择器是 NIO 的核心组件之一，它允许单个线程同时监控多个 I/O 通道，检测哪些通道准备好进行读写操作。
  • 通过选择器，NIO 可以避免为每个连接创建一个线程，而是利用单个线程同时处理多个连接，提高了并发处理能力。
• 缓冲区（Buffer）：
  • 在 NIO 中，数据读写通过 缓冲区（Buffer）进行操作。缓冲区是一个内存区域，它用于在数据与通道（Channel）之间传递数据。
  • 数据总是从通道读到缓冲区，或者从缓冲区写到通道。缓冲区是 NIO 中的一个重要概念，类似于传统 I/O 的字节流和字符流。
• 通道（Channel）：
  • 通道是 NIO 中与数据源或数据目的地之间的连接通道，用于读取或写入数据。Channel 与传统的流不同，它是双向的，即既可以读，也可以写。
  • NIO 提供了多个具体的通道类，如 FileChannel（文件通道）、SocketChannel（套接字通道）和 ServerSocketChannel（服务器套接字通道）。
• 内存映射文件（Memory-mapped Files）：
  • NIO 支持内存映射文件，可以通过 MappedByteBuffer 来将文件的部分或整个内容映射到内存中，允许程序像访问数组一样操作文件内容，提升了文件操作的效率。
• SelectionKey：
  • SelectionKey 是选择器与通道之间的桥梁，它表示通道在选择器上的注册状态，并且它指示通道准备好进行的操作（如读、写、连接等）。

NIO的工作流程

• 创建通道并设置为非阻塞模式：在 NIO 中，所有的数据读取和写入操作都是通过 通道（Channel） 完成的。通道是一个连接 I/O 设备（如文件、网络套接字等）的双向数据传输通道。
• 将通道注册到选择器（Selector）：通道需要注册到 选择器（Selector） 上。选择器是一个核心组件，它允许单个线程监控多个通道的 I/O 状态。
• 轮询选择器（Selector）：在应用程序中，调用选择器的 select() 方法来阻塞并等待事件的发生。当至少一个通道准备好进行指定的 I/O 操作时，选择器会返回并且唤醒线程。
• 处理就绪的通道：一旦选择器检测到某些通道已经准备好进行 I/O 操作，就会返回这些通道的集合。
• 处理IO操作：在通道准备好后，应用程序通过 ByteBuffer 来读取或写入数据。
• 继续轮询并处理其他通道的 I/O 事件
• 关闭通道与选择器

核心组件

Channel接口

• 是双向的，可以同时支持读取和写入（读/写），与传统的I/O流相比更灵活。传统的流只能单向，要么是输入流要么是输出流。
• 常用于非阻塞I/O操作，可以结合Selector来实现多路复用，从而处理多个并发连接。

种类

• SocketChannel：用于基于TCP的网络通信，可以与服务器或客户端进行连接。
• ServerSocketChannel：用于监听TCP连接，类似于传统I/O中的ServerSocket。
• DatagramChannel：用于基于UDP的网络通信。
• FileChannel：用于从文件中读取或向文件中写入数据。

常用方法

• SelectionKey register(Selector sel, int ops) throws ClosedChannelException
  • sel：选择器对象，通道将会注册到该选择器上。
  • ops：感兴趣的操作，可以是 SelectionKey.OP_READ、SelectionKey.OP_WRITE、SelectionKey.OP_CONNECT 等。
  • 返回值：返回一个 SelectionKey，表示通道在选择器中的状态。
• 创建对象
  • public static FileChannel open(Path path, OpenOption... options) throws IOException;
    • path: 要操作的文件路径，类型为 Path。
    • options: 文件打开选项，例如 StandardOpenOption.READ、StandardOpenOption.WRITE 等，可以传入多个选项。
  • public static SocketChannel open() throws IOException;
  • public static ServerSocketChannel open() throws IOException;
  • public static DatagramChannel open() throws IOException;
• 读取数据
  • int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

Selector类

Selector 是Java NIO（New I/O）中用于实现I/O多路复用的组件，它可以通过一个单独的线程同时监视多个通道（Channel）的事件。

Selector的作用：

• 管理多个Channel：通过一个Selector实例，程序可以同时监听多个通道的I/O事件（如可读、可写、连接就绪等），从而使一个线程管理多个连接变得高效。
• 非阻塞I/O：Selector通常与非阻塞通道（如SocketChannel）配合使用，实现高效的非阻塞I/O操作。它使得程序无需为每个连接创建一个线程，减少了线程的开销。

Selector的事件类型：

• OP_READ：表示通道中有数据可读。
• OP_WRITE：表示通道可以向其中写入数据。
• OP_CONNECT：表示通道完成连接操作。
• OP_ACCEPT：表示通道可以接受新的连接

Selector的常见方法

• int selectNow()：不论是否有无事件发生，立即返回
• int select(long timeout)：至多阻塞 timeout 时间（或被唤醒），如果提早有事件发生，提早返回
• int select()：一直阻塞着，直到有事件发生（或被唤醒）

返回值就是就绪的通道数，一般判断大于 0 即可进行后续的操作。