NIO与Socket编程技术指南NIO，Socket，网络编程，并发编程，高并发

本书主要介绍Java语言中高性能处理的原理技术：NIO和Socket。非常详细地讲解了NIO中的缓冲区、通道、选择器、编码，以及使用Socket技术实现TCP/IP和UDP编程，细化到了演示全部SocketOption的特性，这对理解基于NIO和Socket技术为基础所开发的NIO框架是非常有好处的，本书以案例为入口，将大部分在开发中常见的NIO和Socket的技术点都做了演示，细化到API级。在互联网技术日新月异的时代，Netty以及Kafka等这些高性能处理框架都在底层应用到了NIO和Socket，所以当你目前是有计划进军互联网技术时，本书也许会带给你一个方向。

高洪岩，某世界500强项目经理，有10年Java相关开发经验，精通Java语言，擅长J2EE、EJB、Android、报表和多线程，以及并发相关的技术内容，理论与实践经验颇丰。著有《Java多线程编程核心技术》《Java并发编程：核心方法与框架》《NIO与Socket编程技术指南》《Java EE核心框架实战 第2版》《Jasper Reports+iReport报表开发详解》《Android学习精要》等书籍。

适读人群 ：?Java初中高级程序员?系统架构师?NIO+Socket技术的开发者?Java并发开发者?Java高性能技术爱好者?Java Socket技术爱好者?大数据开发者
1）技术畅销书作者撰写，掌握高并发与网络编程基石技术：NIO与Soket
2）细化到特性级别，涵盖领域中核心技术，包括缓冲区、通道、选择器以及基于Socket 的TCP/IP和UDP编程

Preface?前　　言为什么要写这本书早在几年前，笔者就曾想过整理一份基于Java语言的NIO与Socket相关的稿件，因为市面上大部分的Java书籍都是以1章或2章的篇幅介绍NIO与Socket技术，并没有完整地覆盖该技术的知识点，而限于当时的时间及精力，一直没有如愿。
机会终于来了，公司要搭建基础构架知识体系，我负责公司该技术方向的培训，这重燃了我对NIO和Socket技术的热情。在学习Java技术的过程中，当学习了Java SE/Java EE之后想探索更深层次的技术，如大数据、分布式和高并发类等，可能会遇到针对NIO、Socket的学习，但NIO和Socket技术的学习并不像JDBC一样简单，学习NIO和Socket时可能要遇到很多的问题。为了在该技术领域有更高的追求，我将NIO和Socket的技术点以教案的方式进行了整理，并在公司中与同事一起进行学习和交流，同事的反响非常热烈。若干年前的心愿终于达成，同事们也很期待这本书能早日出版发行，那样他们就有真正的纸质参考资料了。希望本书能够受到其他学习NIO和Socket的读者喜爱，这是我最大的心愿。
本书介绍NIO和Socket开发中最值得关注的内容，并给出个人的一些想法和见解，希望拓宽读者的学习思路。
在学习NIO和Socket技术之前，建议先了解一下多线程与并发相关的知识，这对设计和理解代码有非常大的帮助。多线程方面的资料推荐《Java多线程编程核心技术》，并发相关的资料推荐《Java并发编程：核心方法与框架》，这两本书都是笔者编著的，希望可以给读者带来一些帮助。
本书特色在本书写作的过程中，我尽量做到言简意赅，并且全部用演示案例的方式来讲解技术知识点，使读者看到代码及运行结果后就可以知道此项目要解决的是什么问题。这类似于网络中的博客风格，让读者用最短的时间学习知识点，明白知识点的应用方式及使用时的注意事项，取得快速学习并解决相应问题的效果。
读者对象Java程序员系统架构师大数据开发者其他对NIO和Socket技术感兴趣的人员如何阅读本书本着实用、易懂的学习原则，本书通过6章内容来介绍Java多线程相关的技术。
第1章介绍NIO技术中的缓冲区，包括Buffer、ByteBuffer、CharBuffer类的核心API的使用。
第2章介绍NIO技术中的Channel（通道）类的继承关系、核心接口的作用，并重点介绍FileChannel类的使用，以增加读者对NIO操作File类的熟悉度。
第3章介绍如何使用NetworkInterface类获得网络接口的信息，包括IP地址、子网掩码等，还会介绍InetAddress和InterfaceAddress类的常见API。如果进行Java开发，且基于Socket技术，那么这章可以给你需要的信息。
第4章介绍如何使用Java语言实现Socket通信。Socket通信是基于TCP/IP和UDP实现的。另外，将介绍ServerSocket、Socket、DatagramSocket和DatagramPacket类的全部API。只有熟练掌握Socket技术后，在阅读相关网络框架的源代码时才不会迷茫。也就是说，如果读者想要进行Java高性能后台处理，那么必须要学习Socket，并且它是进行细化学习的基础。
第5章介绍NIO技术中最重要的Selector（选择器）技术。NIO技术的核心——多路复用就是在此章体现的。学习这章内容需要有Socket的编程基础，这就是为什么在前面用两章篇幅来介绍Java的Socket编程的原因。同步非阻塞可以大幅度提升程序运行的效率，就在此章体会一下吧。
第6章介绍AIO。AIO是异步IO，NIO是非阻塞IO。AIO在NIO的基础上实现了异步执行、回调处理等高级功能，可以在不同的场景使用AIO或NIO，可以说NIO和AIO是Java高级程序员、架构师等必须要掌握的技术。
勘误和支持由于笔者的水平有限，加之编写仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正，期待能够得到你们的真挚反馈，在技术之路上互勉共进。若读者想与我进行技术交流，可发电子邮件到[email protected]。
致谢感谢所在单位领导的支持与厚爱，使我在技术道路上更有信心。
感谢机械工业出版社华章公司的高婧雅，始终支持我的写作，你是我最爱的编辑。因为你们的鼓励和帮助，所以我才会如此顺利地完成了这本书的写作。
高洪岩

目　　录?Contents
前　言
第1章缓冲区的使用 1
1.1NIO概述 5
1.2缓冲区介绍 6
1.3Buffer类的使用 7
1.3.1包装数据与获得容量 7
1.3.2限制获取与设置 10
1.3.3位置获取与设置 12
1.3.4剩余空间大小获取 13
1.3.5使用Buffer mark()方法处理标记 14
1.3.6知识点细化测试 15
1.3.7判断只读 22
1.3.8直接缓冲区 22
1.3.9还原缓冲区的状态 23
1.3.10对缓冲区进行反转 24
1.3.11判断是否有底层实现的数组 28
1.3.12判断当前位置与限制之间是否有剩余元素 29
1.3.13重绕缓冲区 30
1.3.14获得偏移量 32
1.3.15使用List.toArray(T[])转成数组类型 33
1.4ByteBuffer类的使用 34
1.4.1创建堆缓冲区与直接缓冲区 35
1.4.2直接缓冲区与非直接缓冲区的运行效率比较 37
1.4.3包装wrap数据的处理 39
1.4.4put(byte b)和get()方法的使用与position自增特性 40
1.4.5put(byte[] src, int offset, int length)和get(byte[] dst, int offset, int length)方法的使用 41
1.4.6put(byte[] src)和get(byte[] dst)方法的使用 46
1.4.7put(int index, byte b)和get(int index)方法的使用与position不变 49
1.4.8put(ByteBuffer src)方法的使用 50
1.4.9putType()和getType()方法的使用 51
1.4.10slice()方法的使用与arrayOffSet()为非0的测试 53
1.4.11转换为CharBuffer字符缓冲区及中文的处理 54
1.4.12转换为其他类型的缓冲区 58
1.4.13设置与获得字节顺序 63
1.4.14创建只读缓冲区 65
1.4.15压缩缓冲区 65
1.4.16比较缓冲区的内容 66
1.4.17复制缓冲区 70
1.4.18对缓冲区进行扩容 72
1.5CharBuffer类的API使用 73
1.5.1重载append(char)/append(Char-Sequence)/append(CharSequence, start, end)方法的使用 73
1.5.2读取相对于当前位置的给定索引处的字符 74
1.5.3put(String src)、int read(CharBuffer target)和subSequence(int start, int end)方法的使用 74
1.5.4static CharBuffer wrap(Char-Sequence csq, int start, int end)方法的使用 76
1.5.5获得字符缓冲区的长度 76
1.6小结 77
第2章通道和FileChannel类的使用 78
2.1通道概述 78
2.2通道接口的层次结构 80
2.2.1AsynchronousChannel接口的介绍 82
2.2.2AsynchronousByteChannel接口的介绍 84
2.2.3ReadableByteChannel接口的介绍 84
2.2.4ScatteringByteChannel接口的介绍 85
2.2.5WritableByteChannel接口的介绍 86
2.2.6GatheringByteChannel接口的介绍 87
2.2.7ByteChannel接口的介绍 88
2.2.8SeekableByteChannel接口的介绍 89
2.2.9NetworkChannel接口的介绍 90
2.2.10MulticastChannel接口的介绍 91
2.2.11InterruptibleChannel接口的介绍 92
2.3AbstractInterruptibleChannel类的介绍 93
2.4FileChannel类的使用 95
2.4.1写操作与位置的使用 97
2.4.2读操作 100
2.4.3批量写操作 106
2.4.4批量读操作 109
2.4.5部分批量写操作 117
2.4.6部分批量读操作 120
2.4.7向通道的指定position位置写入数据 128
2.4.8读取通道指定位置的数据 130
2.4.9设置位置与获得大小 135
2.4.10截断缓冲区 136
2.4.11将数据传输到其他可写入字节通道 138
2.4.12将字节从给定可读取字节通道传输到此通道的文件中 141
2.4.13执行锁定操作 145
2.4.14FileLock lock()方法的使用 160
2.4.15获取通道文件给定区域的锁定 160
2.4.16FileLock tryLock()方法的使用 162
2.4.17FileLock类的使用 162
2.4.18强制将所有对通道文件的更新写入包含文件的存储设备 165
2.4.19将通道文件区域直接映射到内存 167
2.4.20打开一个文件 174
2.4.21判断当前通道是否打开 181
2.5小结 182
第3章获取网络设备信息 183
3.1NetworkInterface类的常用方法 184
3.1.1获得网络接口的基本信息 186
3.1.2获取MTU大小 189
3.1.3子接口的处理 190
3.1.4获得硬件地址 192
3.1.5获得IP地址 194
3.1.6InterfaceAddress类的使用 200
3.1.7判断是否为点对点设备 202
3.1.8是否支持多播 202
3.2NetworkInterface类的静态方法 204
3.2.1根据索引获得NetworkInterface对象 204
3.2.2根据网络接口名称获得NetworkInterface对象 204
3.2.3根据IP地址获得NetworkInterface对象 205
3.3小结 205
第4章实现Socket通信 206
4.1基于TCP的Socket通信 206
4.1.1验证ServerSocket类的accept()方法具有阻塞特性 207
4.1.2验证Socket中InputStream类的read()方法也具有阻塞特性 210
4.1.3客户端向服务端传递字符串 212
4.1.4服务端向客户端传递字符串 213
4.1.5允许多次调用write()方法进行写入操作 215
4.1.6实现服务端与客户端多次的往来通信 216
4.1.7调用Stream的close()方法造成Socket关闭 219
4.1.8使用Socket传递PNG图片文件 221
4.1.9TCP连接的3次“握手”过程 222
4.1.10标志位SYN与ACK值的自增特性 225
4.1.11TCP断开连接的4次“挥手”过程 226
4.1.12“握手”的时机与立即传数据的特性 227
4.1.13结合多线程Thread实现通信 228
4.1.14服务端与客户端互传对象以及I/O流顺序问题 231
4.2ServerSocket类的使用 233
4.2.1接受accept与超时Timeout 233
4.2.2构造方法的backlog参数含义 235
4.2.3参数backlog的默认值 237
4.2.4构造方法ServerSocket (int port, int backlog, InetAddress bindAddr)的使用 238
4.2.5绑定到指定的Socket地址 240
4.2.6绑定到指定的Socket地址并设置backlog数量 242
4.2.7获取本地SocketAdress对象以及本地端口 243
4.2.8InetSocketAddress类的使用 244
4.2.9关闭与获取关闭状态 247
4.2.10判断Socket绑定状态 248
4.2.11获得IP地址信息 249
4.2.12Socket选项ReuseAddress 249
4.2.13Socket选项ReceiveBuffer-
Size 257
4.3Socket类的使用 259
4.3.1绑定bind与connect以及端口生成的时机 259
4.3.2连接与超时 261
4.3.3获得远程端口与本地端口 262
4.3.4获得本地InetAddress地址与本地SocketAddress地址 263
4.3.5获得远程InetAddress与远程SocketAddress()地址 264
4.3.6套接字状态的判断 265
4.3.7开启半读与半写状态 266
4.3.8判断半读半写状态 268
4.3.9Socket选项TcpNoDelay 270
4.3.10Socket选项SendBufferSize 274
4.3.11Socket选项Linger 276
4.3.12Socket选项Timeout 287
4.3.13Socket选项OOBInline 288
4.3.14Socket选项KeepAlive 291
4.3.15Socket选项TrafficClass 293
4.4基于UDP的Socket通信 294
4.4.1使用UDP实现Socket通信 295
4.4.2测试发送超大数据量的包导致数据截断的情况 297
4.4.3Datagram Packet类中常用API的使用 299
4.4.4使用UDP实现单播 300
4.4.5使用UDP实现广播 301
4.4.6使用UDP实现组播 303
4.5小结 305
第5章选择器的使用 306
5.1选择器与I/O多路复用 306
5.2核心类Selector、SelectionKey和
SelectableChannel的关系 307
5.3通道类AbstractInterruptibleChannel与接口InterruptibleChannel的介绍 310
5.4通道类SelectableChannel的介绍 311
5.5通道类AbstractSelectableChannel的介绍 313
5.6通道类ServerSocketChannel与接口NetworkChannel的介绍 313
5.7ServerSocketChannel类、Selector和SelectionKey的使用 315
5.7.1获得ServerSocketChannel与ServerSocket socket对象 316
5.7.2执行绑定操作 317
5.7.3执行绑定操作与设置backlog 317
5.7.4阻塞与非阻塞以及accept()方法的使用效果 318
5.7.5获得Selector对象 320
5.7.6执行注册操作与获得SelectionKey对象 321
5.7.7判断注册的状态 322
5.7.8将通道设置成非阻塞模式再注册到选择器 323
5.7.9使用configureBlocking (false)方法解决异常 323
5.7.10判断打开的状态 324
5.7.11获得阻塞锁对象 325
5.7.12获得支持的SocketOption列表 325
5.7.13获得与设置SocketOption 327
5.7.14获得SocketAddress对象 327
5.7.15阻塞模式的判断 328
5.7.16根据Selector找到对应的SelectionKey 328
5.7.17获得SelectorProvider对象 329
5.7.18通道注册与选择器 330
5.7.19返回此通道所支持的操作 332
5.7.20执行Connect连接操作 333
5.7.21判断此通道上是否正在进行连接操作 336
5.7.22完成套接字通道的连接过程 338
5.7.23类FileChannel中的long tran-sferTo (position, count, Writable-ByteChannel)方法的使用 340
5.7.24方法public static SocketChannel open (SocketAddress remote)与SocketOption的执行顺序 342
5.7.25传输大文件 344
5.7.26验证read和write方法是非阻塞的 346
5.8Selector类的使用 348
5.8.1验证public abstract int select()方法具有阻塞性 350
5.8.2select()方法不阻塞的原因和解决办法 351
5.8.3出现重复消费的情况 353
5.8.4使用remove()方法解决重复消费问题 355
5.8.5验证产生的set1和set2关联的各自对象一直是同一个 356
5.8.6int selector.select()方法返回值的含义 360
5.8.7从已就绪的键集中获得通道中的数据 362
5.8.8对相同的通道注册不同的相关事件返回同一个SelectionKey 363
5.8.9判断选择器是否为打开状态 365
5.8.10获得SelectorProvider provider对象 365
5.8.11返回此选择器的键集 366
5.8.12public abstract int select(long timeout)方法的使用 367
5.8.13public abstract int selectNow()方法的使用 368
5.8.14唤醒操作 369
5.8.15测试若干细节 370
5.9SelectionKey类的使用 380
5.9.1判断是否允许连接SelectableChannel对象 381
5.9.2判断是否已准备好进行读取 383
5.9.3判断是否已准备好进行写入 384
5.9.4返回SelectionKey关联的选择器 386
5.9.5在注册操作时传入attachment附件 387
5.9.6设置attachment附件 389
5.9.7获取与设置此键的interest集合 390
5.9.8判断此键是否有效 392
5.9.9获取此键的ready操作集合 392
5.9.10取消操作 395
5.10DatagramChannel类的使用 396
5.10.1使用DatagramChannel类实现UDP通信 398
5.10.2连接操作 399
5.10.3断开连接 400
5.10.4将通道加入组播地址 400
5.10.5将通道加入组播地址且接收指定客户端数据 402
5.11Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel类的使用 403
5.12SelectorProvider类的使用 406
5.13小结 407
第6章AIO的使用 408
6.1AsynchronousFileChannel类的使用 408
6.1.1获取此通道文件的独占锁 409
6.1.2获取通道文件给定区域的锁 410
6.1.3实现重叠锁定 412
6.1.4返回此通道文件当前大小与通道打开状态 413
6.1.5CompletionHandler接口的使用 413
6.1.6public void failed (Throwable exc, A attachment)方法调用时机 414
6.1.7执行指定范围的锁定与传入附件及整合接口 415
6.1.8执行锁定与传入附件及整合接口CompletionHandler 416
6.1.9lock (position, size, shared, attachment,CompletionHandler)方法的特点 418
6.1.10读取数据方式1 420
6.1.11读取数据方式2 420
6.1.12写入数据方式1 421
6.1.13写入数据方式2 422
6.2AsynchronousServerSocketChannel和AsynchronousSocketChannel类的使用 422
6.2.1接受方式1 425
6.2.2接受方式2 427
6.2.3重复读与重复写出现异常 428
6.2.4读数据 429
6.2.5写数据 433
6.3同步、异步、阻塞与非阻塞之间的关系 436
6.4小结 437

网络,Socket