Chapter 1 第1章 缓冲区的使用

学习NIO能更加接近架构级的技术体系，对未来的职业发展有非常好的促进作用。

当你看到以上这段文字的时候，笔者要恭喜你，因为你正在往Java高性能、高并发、高吞吐量技术的道路上迈进，也就代表着未来是有可能将自己的职业规划定位在Java高级程序员、Java资深工程师，以及技术经理、技术总监或首席技术官（CTO）这类职位上。这些职位对Java技术的掌握是有一定要求和标准的，至少笔者认为要将自己对技术的关注点从SSH、SSM分离出去，落脚在多线程、并发处理、NIO及Socket技术上，因为这些技术是开发Java高性能服务器必须要掌握的，甚至有些第三方的优秀框架也在使用这些技术。先不说自己开发框架，即使想要读懂第三方框架的源代码，也要掌握上面提到的多线程、并发处理、NIO及Socket这4种核心技术。当你正在进行SSH、SSM这类Web开发工作时，想要往更高的层次发展，笔者的其他两本书《Java多线程编程核心技术》和《Java并发编程：核心方法与框架》，以及本书一定会带给你非常大的帮助，因为这些内容是Java SE技术中的核心，是衡量一个Java程序员是否合格的明显标志。

在正式开始介绍NIO之前，先简要介绍一下Java SE中的4大核心技术：多线程、并发处理、Socket和NIO。如果你是这些技术的初学者，那么这将帮助你了解这些技术及其用途，以及它们的应用场景。

（1）多线程

可以这样说，高性能的解决方案一定离不开多线程，它可以使1个CPU几乎在同一时间运行更多的任务。在指定的时间单位内运行更多的任务，其实就是大幅度提高运行效率，让软件运行更流畅，处理的数据更多，以提升使用软件时的用户体验。在Java中，使用Thread类来实现多线程功能的处理。在学习多线程时，要注意同步与异步的区别，也就是着重观察synchronized关键字在不同代码结构中的使用效果。另外，多线程的随机性，以及多线程运行乱序的可控制性，这些都是在学习该技术时要着重掌握的。在学习Socket之前，建议先掌握多线程技术，因为使用Socket实现某些功能时是需要借助于多线程的。另外在面试时，多线程方面的知识点是被问及比较多的，可见该技术的重要程度。

推荐笔者的拙作《Java多线程编程核心技术》，封面如图1-1所示。

（2）并发处理

你可以愉快地使用Thread类来学习编写多线程的应用程序，但在真实的软件项目开发中实现一些较复杂的逻辑时，其实并不是那么容易，因为多线程的随机性、不方便控制性和调试麻烦等特性也许会给开发过程带来麻烦，但好在Doug Lea开发的java.util.concurrent并发包提供了绝大多数常用的功能。concurrent并发包是对多线程技术的封装，使用并发包中的类可以大幅度降低多线程代码的复杂度。使用封装好的API就可以实现以前使用几十行甚至上百行才能实现的功能。使用并发包可以限制访问的流量、线程间的数据交流，在同步处理时使用更加方便和高效率的锁（Lock）对象、读写锁对象，以及可以提高运行效率的线程池，支持异步及回调接口，支持计划任务，支持fork-join分治编程，而且还提供了并发集合框架。上述功能都是Doug Lea的贡献。只有真正地接触到concurrent并发包，才能深刻地体会使用Thread类编程的原始性，会让你的解题思路更加广阔。

推荐笔者的拙作《Java并发编程：核心方法与框架》，封面如图1-2所示。

（3）Socket

高性能服务器的架构设计离不开集群，集群同样离不开Socket。Socket技术可以实现不同计算机间的数据通信，从而实现在集群中的服务器之间进行数据交换，因此，Socket技术是必须要学习的，它也是工作、面试时经常涉及的知识点。即使你是一位Java语言Socket技术的初学者，如果有C++语言学习的经验，那么在学习Socket技术时会觉得得心应手，因为Java语言中的Socket技术其实是封装了操作系统中Socket编程的API，示例代码如下：

JNIEXPORT jobject JNICALL Java_java_net_NetworkInterface_getByIndex0
  (JNIEnv ＊env, jclass cls, jint index)
{
    netif ＊ifList, ＊curr;
    jobject netifObj = NULL;
    //Retained for now to support IPv4 only stack, java.net.preferIPv4Stack
    if (ipv6_available()) {
        return Java_java_net_NetworkInterface_getByIndex0_XP (env, cls, index);
    }
    /＊ get the list of interfaces ＊/
    if (enumInterfaces(env, &ifList) < 0) {
        return NULL;
    }
    /＊ search by index ＊/
    curr = ifList;
    while (curr ! = NULL) {
        if (index == curr->index) {
            break;
        }
        curr = curr->next;
    }
    /＊ if found create a NetworkInterface ＊/
    if (curr ! = NULL) {
        netifObj = createNetworkInterface(env, curr, -1, NULL);
    }
    /＊ release the interface list ＊/
    free_netif(ifList);
    return netifObj;
}

上面的代码片段出自：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/jdk/file/73a9fef98b93/src/windows/native/java/net/NetworkInterface.c。

从上述代码片段中可以发现，使用Java语言开发Socket软件时，内部调用的还是基于操作系统的Socket的API。

如果没有C++编程经验，就不能学习Java中的Socket技术吗？其实也不是，JDK已经将Socket技术进行了重量级的封装，可以用最简单的代码实现复杂的功能，API接口设计得简洁、有序，因此，即使不懂C++，也能顺利地学习Socket编程。掌握C++语言其实是更有益于学习底层对Socket的封装，研究一些细节问题时会应用到。在常规的学习时，掌握C++语言似乎就没有这么大的帮助了。

Socket技术基于TCP/IP，提前了解一些协议的知识更有利于学习Socket。但是TCP/IP规范非常复杂，我们不可能把该协议的所有细节都掌握，只需要掌握TCP与UDP里常规的内容即可，因为这是Socket技术实现网络通信主要使用的协议。是否有书籍把TCP/UDP的理论知识和Socket编程结合起来？真的有这样的书，推荐《UNIX网络编程（卷1）：套接字联网API》和《UNIX网络编程（卷2）：进程间通信》。这两本书就将TCP/UDP/Socket进行整合并介绍，对TCP和UDP的细节进行文字讲述，并且使用Socket API进行代码的演示，但是演示的代码使用的是C语言实现的，并不是Java，但Java程序员可以以这两本书作为TCP/UDP理论知识的参考。如果你想更加深入、细致地研究TCP/IP编程，这两本书会提供很大帮助。

Socket编程其实就是实现服务端与客户端的数据通信，不管使用任何的编程语言，在实现上基本上都是4个步骤：①建立连接；②请求连接；③回应数据；④结束连接，这4个步骤的流程图如图1-3所示。

虽然图1-3中使用C语言实现Socket编程，但同样可以使用Java中的ServerSocket和Socket类来代替并实现网络通信。本书中Socket的所有案例都是在这4个步骤的生命周期中再结合ServerSocket和Socket类产生的。

另外，本书是将NIO与Socket相结合的，在学习NIO之前，必须先学习Socket，因为NIO中的核心通道类都是基于Socket技术的通道类。学习Socket时要着重学习Socket Option特性，因为它会影响程序运行的效率。在网络程序优化时，除了优化代码之外，还要优化Socket Option中的参数。本书将Socket有关类中的API几乎进行了全部讲解，因为笔者不希望只列举常用代码，而其他知识点一带而过或根本不介绍的情况发生。学习技术时就要以“全面覆盖，某点深钻”的方式进行全方位学习，这样在阅读第三方框架的源代码时才不会出现现查API的情况，极大地提高了代码阅读效率，也会对TCP/IP编程有更深的认识。

（4）NIO

什么是NIO？百度百科中的解释如图1-4所示：

大致来讲，NIO相比普通的I/O提供了功能更加强大、处理数据更快的解决方案，它可以大大提高I/O（输入/输出）吞吐量，常用在高性能服务器上。随着互联网的发展，在大多数涉及Java高性能的应用软件中，NIO是必不可少的技术之一。

NIO实现高性能处理的原理是使用较少的线程来处理更多的任务，如图1-5所示。

使用较少的Thread线程，通过Selector选择器来执行不同Channel通道中的任务，执行的任务再结合AIO（异步I/O）就能发挥服务器最大的性能，大大提升软件运行效率。

通过对前面4个核心技术的简单介绍，至少你的思维中不再只是Struts、Spring、Hibernate、MyBatis、SpringMVC、CSS、jQuery、AJAX等这些Java Web技术了，而是需要思考如何组织软件架构、服务器分布、通信优化、高性能处理等这些高级技能，为以后的学习和工作打下坚实的技术基础。

学习NIO能更加接近和了解架构级的技术体系，对未来的职业发展有非常好的辅助作用。