摘要：使用線程池可以節(jié)省那種系統(tǒng)開銷，同時允許實現(xiàn)者利用并行硬件的優(yōu)勢。但是對于連接生存期比較長的協(xié)議來說，線程池的大小仍然限制了系統(tǒng)同時可以處理的客戶端數(shù)量。

NIO主要包含兩部分，Selector和Channel、Buffer。

基本的Java套接字對于小規(guī)模系統(tǒng)可以很好地運行，但當(dāng)涉及同時處理上千個客戶端的服務(wù)器時，可能就會產(chǎn)生一些問題。由于創(chuàng)建、維護、切換線程需要的系統(tǒng)開銷，一客戶一線程的方式在系統(tǒng)擴展性方面受到了限制。使用線程池可以節(jié)省那種系統(tǒng)開銷，同時允許實現(xiàn)者利用并行硬件的優(yōu)勢。

但是對于連接生存期比較長的協(xié)議來說，線程池的大小仍然限制了系統(tǒng)同時可以處理的客戶端數(shù)量。

另外對于服務(wù)器需要由不同客戶端同時訪問和修改的信息時，對于多線程就得進行同步，這會變得更加復(fù)雜，即使用同步機制將增加更多的系統(tǒng)調(diào)度和上下文切換開銷，而程序員對這些開銷又無法控制。

由于多線程的同步的復(fù)雜性，一些程序員寧愿繼續(xù)使用單線程方法，這類服務(wù)器只用一個線程來處理所有客戶端——不是順序處理，而是一次全部處理。這種服務(wù)器不能為任何客戶端提供I/O操作的阻塞等待，而必須排他地使用非阻塞方式（nonblocking）I/O。

前面的while true，不斷地輪詢（poll）accept方法，這種忙等（busy waiting）方法會引入系統(tǒng)開銷，因為程序需要反復(fù)循環(huán)地連接I/O源，卻又發(fā)現(xiàn)什么都不用做。

我們需要一種方法來一次輪詢一組客戶端，以查找那個客戶端需要服務(wù)，這正是NIO要介紹的Selector和Channel的抽象關(guān)鍵點。

一個Channel實例代表了一個可輪詢（pollable）的I/O目標(biāo)，如套接字（或一個文件、設(shè)備等）。Channel能夠注冊一個Selector類的實例。

Selector的select方法允許你詢問在一組信道中，哪一個當(dāng)前需要服務(wù)（被接受、讀、寫）。

Stream的抽象，好處是隱藏了底層緩沖區(qū)的有限性，提供了一個能夠容納任意長度數(shù)據(jù)的容器的假象。要實現(xiàn)這樣一個假象，要么會產(chǎn)生大量的內(nèi)存開銷，要么會引入大量的上下文切換，不好控制。

使用Buffer抽象的原因是：Buffer抽象代表了一個有限容量（finite-capacity）的數(shù)據(jù)容器——其本質(zhì)是一個數(shù)組，由指針指示了在哪存放數(shù)據(jù)和從哪讀取數(shù)據(jù)。使用Buffer的好處是：
1）與讀寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)開銷都暴露給了程序員。例如，如果想要向緩沖區(qū)存入數(shù)據(jù)，但是又沒有足夠的空間時，就必須采取一些措施來獲得空間（即移出一些數(shù)據(jù)，或移開已經(jīng)在那個位置的數(shù)據(jù)來獲得空間，或者創(chuàng)建一個新的新的實例）。這意味著需要額外的工作，但是你可以控制它什么時候發(fā)生，如何發(fā)生，以及是否發(fā)生。
2）一些對Java對象的特殊Buffer映射操作能夠直接操作底層平臺的資源（例如操作系統(tǒng)的緩沖區(qū)），這些操作節(jié)省了在不同地址空間中復(fù)制數(shù)據(jù)的開銷。

綜上，Channel實例代表了一個與設(shè)備的連接，通過它可以進行輸入輸出操作。信道（channel）和套接字（socket）的不同之處在于：channel通常需要調(diào)用靜態(tài)工廠方法來獲取實例。channel使用的不是流，而是使用緩沖區(qū)來發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。

Buffer有固定的、有限的容量，并由內(nèi)部狀態(tài)記錄了有多少數(shù)據(jù)放入或取出，就像是一個有限容量的隊列一樣。

NIO的強大功能部分來自于channel的非阻塞特性。accept可能因為等待一個客戶端連接而阻塞，read可能因為沒有數(shù)據(jù)可讀而阻塞，直到連接的另一端傳來新數(shù)據(jù)。

總的來說，創(chuàng)建/接收連接或讀寫數(shù)據(jù)等I/O調(diào)用，都可能無限期地阻塞等待，直到底層的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)發(fā)生了什么。慢速的、有損耗的網(wǎng)絡(luò)，或僅僅是簡單的網(wǎng)絡(luò)故障都可能導(dǎo)致任意時間的延遲。

而NIO則立即返回：

public class TCPEchoClientNonblocking {
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        if ((args.length < 2) || (args.length > 3)) // Test for correct # of args
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):   []");
        String server = args[0]; // Server name or IP address
        // Convert input String to bytes using the default charset
        byte[] argument = args[1].getBytes();
        int servPort = (args.length == 3) ? Integer.parseInt(args[2]) : 7;
        // Create channel and set to nonblocking
        SocketChannel clntChan = SocketChannel.open();
        clntChan.configureBlocking(false);
        // Initiate connection to server and repeatedly poll until complete
        if (!clntChan.connect(new InetSocketAddress(server, servPort))) {
            while (!clntChan.finishConnect()) {
                System.out.print(".");  // Do something else
            }
        }
        ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(argument);
        ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(argument.length);
        int totalBytesRcvd = 0; // Total bytes received so far
        int bytesRcvd; // Bytes received in last read
        while (totalBytesRcvd < argument.length) {
            if (writeBuf.hasRemaining()) {
                clntChan.write(writeBuf);
            }
            if ((bytesRcvd = clntChan.read(readBuf)) == -1) {
                throw new SocketException("Connection closed prematurely");
            }
            totalBytesRcvd += bytesRcvd;
            System.out.print(".");   // Do something else
        }
        System.out.println("Received: " +  // convert to String per default charset
                new String(readBuf.array(), 0, totalBytesRcvd));
        clntChan.close();
    }
}

上面的輪詢僅僅是演示用。

需要使用Selector類來避免忙等的輪詢?？紤]一個即時的消息服務(wù)器，可能有上千個客戶端同時連接到了服務(wù)器，但任何時刻都只有非常少量的消息需要讀取和分發(fā)。這就需要一種方法阻塞等待，直到至少有一個信道可以進行I/O操作，并指出是哪個信道。NIO的選擇器就實現(xiàn)了這樣的功能。一個Selector實例可以同時檢查一組信道的I/O狀態(tài)。用專業(yè)術(shù)語來說，選擇器就是一個多路開關(guān)選擇器，因為一個選擇器能夠管理多個信道上的I/O操作。

要使用選擇器，需要創(chuàng)建一個Selector實例并將其注冊到想要監(jiān)控的信道上（注意，這要通過channel的方法實現(xiàn)，而不是使用selector的方法）。最后，調(diào)用選擇器的select方法，該方法會阻塞等待，直到還有一個或更多的信道準(zhǔn)備好了I/O操作或等待超時。select方法返回可進行I/O操作的信道數(shù)量。

public class TCPServerSelector {
    private static final int BUFSIZE = 256;  // Buffer size (bytes)
    private static final int TIMEOUT = 3000; // Wait timeout (milliseconds)
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        if (args.length < 1) { // Test for correct # of args
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):  ...");
        }
        // Create a selector to multiplex listening sockets and connections
        Selector selector = Selector.open();
        // Create listening socket channel for each port and register selector
        for (String arg : args) {
            ServerSocketChannel listnChannel = ServerSocketChannel.open();
            listnChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(arg)));
            listnChannel.configureBlocking(false); // must be nonblocking to register
            // Register selector with channel. The returned key is ignored
            listnChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        }
        // Create a handler that will implement the protocol
        TCPProtocol protocol = new EchoSelectorProtocol(BUFSIZE);
        while (true) { // Run forever, processing available I/O operations
            // Wait for some channel to be ready (or timeout)
            if (selector.select(TIMEOUT) == 0) { // returns # of ready chans
                System.out.print(".");
                continue;
            }
            // Get iterator on set of keys with I/O to process
            Iterator keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
            while (keyIter.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIter.next(); // Key is bit mask
                // Server socket channel has pending connection requests?
                if (key.isAcceptable()) {
                    protocol.handleAccept(key);
                }
                // Client socket channel has pending data?
                if (key.isReadable()) {
                    protocol.handleRead(key);
                }
                // Client socket channel is available for writing and
                // key is valid (i.e., channel not closed)?
                if (key.isValid() && key.isWritable()) {
                    protocol.handleWrite(key);
                }
                keyIter.remove(); // remove from set of selected keys
            }
        }
    }
}

由于select方法只是向selector所關(guān)聯(lián)的鍵集合中添加元素，因此，如果不移除每個處理過的鍵，它就會在下次調(diào)用select方法時仍然保留在集合中，而且可能會有無用的操作來調(diào)用它。

具體的處理方法

public class EchoSelectorProtocol implements TCPProtocol {
    private int bufSize; // Size of I/O buffer
    public EchoSelectorProtocol(int bufSize) {
        this.bufSize = bufSize;
    }
    public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
        clntChan.configureBlocking(false); // Must be nonblocking to register
        // Register the selector with new channel for read and attach byte buffer
        clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer
                .allocate(bufSize));
    }
    public void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        // Client socket channel has pending data
        SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        long bytesRead = clntChan.read(buf);
        if (bytesRead == -1) { // Did the other end close?
            clntChan.close();
        } else if (bytesRead > 0) {
            // Indicate via key that reading/writing are both of interest now.
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    }
    public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
    /*
     * Channel is available for writing, and key is valid (i.e., client channel
     * not closed).
     */
        // Retrieve data read earlier
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        buf.flip(); // Prepare buffer for writing
        SocketChannel clntChan = (SocketChannel) key.channel();
        clntChan.write(buf);
        if (!buf.hasRemaining()) { // Buffer completely written?
            // Nothing left, so no longer interested in writes
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
        buf.compact(); // Make room for more data to be read in
    }
}