在此之前，我们曾利用 Java 的套接字 Socket 和 ServerSocket 完成网络编程，但 Socket 和 ServerSocket 是基于 Java IO 的，在网络编程方面，性能会比较差。原因我们在之前也讲过。
那 Java NIO 的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 性能怎么样呢？
在学习 NIO 的第一讲里，我们已经介绍过 SocketChannel 和 ServerSocketChannel了，这里再简单补充下。
ServerSocketChannel 用于创建服务器端套接字，而 SocketChannel 用于创建客户端套接字。它们都支持阻塞和非阻塞模式，通过设置其 blocking 属性来切换。阻塞模式下，读/写操作会一直阻塞直到完成，而非阻塞模式下，读/写操作会立即返回。
阻塞模式：
- 优点：编程简单，适合低并发场景。
- 缺点：性能较差，不适合高并发场景。
非阻塞模式：
- 优点：性能更好，适合高并发场景。
- 缺点：编程相对复杂。
我们来看一个简单的示例（阻塞模式下）：
先来看 Server 端的：
简单解释一下这段代码，也比较好理解。
首先创建服务器端套接字ServerSocketChannel，然后绑定 8080 端口，接着使用 while 循环监听客户端套接字。如果接收到客户端连接 SocketChannel，就从通道里读取数据到缓冲区 ByteBuffer，一直读到通道里没有数据，关闭当前通道。
其中 用来设置通道为阻塞模式（可以缺省）。
再来看客户端的：
客户端代码就更简单了，建立通道 SocketChannel，连接服务器，然后在缓冲区里放一段数据，之后写入到通道中，关闭套接字。
先运行 BlockingServer，再运行 BlockingClient，可以在 Server 端的控制台收到以下信息。
好，我们再来看非阻塞模式下的示例。
先来看 Server 端：
与之前阻塞模式相同的，我们就不再赘述了，只说不同的。
①、首先，创建一个 ServerSocketChannel，并将其设置为非阻塞模式。
②、创建一个 Selector 实例，用于处理多个通道的事件。
③、将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 上，并设置感兴趣的事件为 OP_ACCEPT。这意味着当有新的客户端连接请求时，Selector 会通知我们。
看一下 OP_ACCEPT 的注释：
④、循环处理 Selector 中的事件。首先调用 方法来等待感兴趣的事件发生。这个方法会阻塞，直到至少有一个感兴趣的事件发生。
⑤、当 返回时，我们可以通过 获取所有已就绪的事件，并对其进行迭代处理。在处理事件时，根据 SelectionKey 的类型来执行相应的操作。
⑥、当 SelectionKey 的类型为 OP_ACCEPT 时，说明有新的客户端连接请求。此时，我们需要接受新的连接，并将新创建的 SocketChannel 设置为非阻塞模式。然后，将该 SocketChannel 注册到 Selector 上，并设置感兴趣的事件为 OP_READ。
⑦、当 SelectionKey 的类型为 OP_READ 时，说明有客户端发送了数据。我们需要从 SocketChannel 中读取数据，并进行相应的处理。
⑧、（如果可以的话）当 SelectionKey 的类型为 OP_WRITE 时，说明可以向客户端发送数据。我们可以将要发送的数据写入 SocketChannel。
不过，本例中并没有这一步。如果需要的话，可以按照这样的方式向客户端写入数据。
⑨、在服务器停止运行时，需要关闭 Selector 和 ServerSocketChannel，释放资源。
好，接下来，我们来看客户端的。
客户端代码依然比较简单，我们直接略过，不再解释。然后运行 Server，再运行 Client。可以运行多次，结果如下：
Scatter 和 Gather 是 Java NIO 中两种高效的 I/O 操作，用于将数据分散到多个缓冲区或从多个缓冲区中收集数据。
Scatter（分散）：它将从 Channel 读取的数据分散（写入）到多个缓冲区。这种操作可以在读取数据时将其分散到不同的缓冲区，有助于处理结构化数据。例如，我们可以将消息头、消息体和消息尾分别写入不同的缓冲区。
Gather（聚集）：与 Scatter 相反，它将多个缓冲区中的数据聚集（读取）并写入到一个 Channel。这种操作允许我们在发送数据时从多个缓冲区中聚集数据。例如，我们可以将消息头、消息体和消息尾从不同的缓冲区中聚集到一起并写入到同一个 Channel。
来写一个完整的 demo，先看 Server。
再来看 Client：
在这个示例中，我们使用了 Scattering 从 SocketChannel 分散读取数据到多个缓冲区，并使用 Gathering 将数据从多个缓冲区聚集写入到 SocketChannel。通过这种方式，我们可以方便地处理多个缓冲区中的数据。
AsynchronousSocketChannel 和 AsynchronousServerSocketChannel 是 Java 7 引入的异步 I/O 类，分别用于处理异步客户端 Socket 和服务器端 ServerSocket。异步 I/O 允许在 I/O 操作进行时执行其他任务，并在操作完成时接收通知，提高了并发处理能力。
来看一个简单的示例，先看服务器端。
代码结构和之前讲到的异步文件通道 AsynchronousFileChannel 比较相似，异步服务单套接字通道 AsynchronousServerSocketChannel 接收客户端连接，每当收到一个新的连接时，会调用 方法，然后读取客户端发送的数据并将其打印到控制台。
来简单分析一下吧。
①、创建了一个 AsynchronousServerSocketChannel 实例并将其打开。这个通道将用于监听客户端连接。
②、调用 方法来接收客户端连接。这个方法需要一个 CompletionHandler 实例，当客户端连接成功时， 方法会被调用。
③、实现 CompletionHandler，I/O 操作成功时，会调用 方法；当 I/O 操作失败时，会调用 方法。
在 completed 方法中，我们首先调用 来接收下一个连接请求。然后，我们创建一个缓冲区 ByteBuffer 并使用 从客户端读取数据。在这个示例中，我们使用了一个 Future 对象来等待读取操作完成。当读取完成时，我们将缓冲区的内容打印到控制台。
④、为了让服务器继续运行并接收客户端连接，我们需要阻止 main 线程退出。
再来看客户端的：
就是简单的连接和写入数据，就不多做解释了。这里先运行一下 Server 端，然后再运行一下客户端，看一下结果。
我们来通过 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 实现一个 0.1 版的聊天室，先说一下需求，比较简单，服务端启动监听客户端请求，当客户端向服务器端发送信息后，服务器端接收到后把客户端消息回显给客户端，比较呆瓜，但可以先来看一下。
我们来看服务器端代码：
解释一下代码逻辑：
1、创建一个 ServerSocketChannel，并将其绑定到指定端口。
2、将 ServerSocketChannel 设置为非阻塞模式。
3、创建一个 Selector，并将 ServerSocketChannel 注册到它上面，监听 OP_ACCEPT 事件（等待客户端连接）。
4、无限循环，等待感兴趣的事件发生。
5、使用 方法，等待已注册的通道中有事件发生。
6、获取到发生事件的通道的 SelectionKey。
7、判断 SelectionKey 的事件类型：
- a. 如果是 OP_ACCEPT 事件，说明有新的客户端连接进来。接受新的连接，并将新连接的 SocketChannel 注册到 Selector 上，监听 OP_READ 事件。
- b. 如果是 OP_READ 事件，说明客户端发送了消息。读取客户端发送的消息，并将其返回给客户端。 处理完毕后，清除已处理的 SelectionKey。
再来看一下客户端的代码：
解释一下代码逻辑：
1、创建一个 SocketChannel，并连接到指定的服务器地址和端口。
2、将 SocketChannel 设置为非阻塞模式。
3、创建一个 Selector，并将 SocketChannel 注册到它上面，监听 OP_READ 事件（等待接收服务器的消息）。
4、启动一个新线程用于读取用户在控制台输入的消息，并发送给服务器。
5、无限循环，等待感兴趣的事件发生。
6、使用 方法，等待已注册的通道中有事件发生。
7、获取到发生事件的通道的 SelectionKey。
8、判断 SelectionKey 的事件类型：
- a. 如果是 OP_READ 事件，说明服务器发送了消息。读取服务器发送的消息，并在控制台显示。 处理完毕后，清除已处理的 SelectionKey。
来看运行后的效果。
好，接下来，我们来升级一下需求，也就是 0.2 版聊天室，要求服务器端也能从控制台敲入信息主动发送给客户端。
来看服务器端代码：
再来看客户端代码：
运行 Server，再运行 Client，交互信息如下：
我们使用了 Selector 和非阻塞 I/O，这使得服务器可以同时处理多个连接。所以我们在 Intellij IDEA 中可以再配置一个客户端，见下图（填上这四项内容）。
然后启动，就可以完成一个 Server 和多个 Client 交互了。
OK，关于聊天室，我们就先讲到这里。
前面我们了解到，Java NIO 在文件 IO 上的性能其实和传统 IO 差不多，甚至在处理大文件的时候还有些甘拜下风，但 NIO 的主要作用体现在网络 IO 上，像 Netty 框架底层其实就是 NIO，我们来做一下简单的总结吧。
SocketChannel（用于 TCP 连接）和 ServerSocketChannel（用于监听和接受新的 TCP 连接）可以用来替代传统的 Socket 和 ServerSocket 类，提供非阻塞模式。
NIO 支持阻塞和非阻塞模式。非阻塞模式允许程序在等待 I/O 时执行其他任务，从而提高并发性能。非阻塞模式的实现依赖于 Selector，它可以监控多个通道上的 I/O 事件。
NIO 支持将数据分散到多个 Buffer（Scatter）或从多个 Buffer 收集数据（Gather），提供了更高效的数据传输方式。
Java NIO.2 引入了 AsynchronousSocketChannel 和 AsynchronousServerSocketChannel，这些类提供了基于回调的异步 I/O 操作。异步套接字通道可以在完成 I/O 操作时自动触发回调函数，从而实现高效的异步处理。
最后，我们使用 NIO 实现了简单的聊天室功能。通过 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 创建服务端和客户端，实现互相发送和接收消息。在处理多个客户端时，可以使用 Selector 来管理多个客户端连接，提高并发性能。
总之，Java NIO 网络编程实践提供了更高效、灵活且可扩展的 I/O 处理方式，对于大型应用程序和高并发场景具有显著优势。
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Java 的 IO 分为两大类，一类是传统的 IO（Blocking IO），一类是 NIO （New IO）。
传统的 IO 基于字节流和字符流，以阻塞式 IO 操作为主。常用的类有 FileInputStream、FileOutputStream、InputStreamReader、OutputStreamWriter 等。这些类在读写数据时，会导致执行线程阻塞，直到操作完成。
Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，采用非阻塞式 IO 操作，允许线程在等待 IO 时执行其他任务。常见的 NIO 类有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。
那什么是阻塞式 IO，什么是非阻塞 IO 呢？
阻塞 I/O（Blocking I/O）：在这种模型中，I/O 操作是阻塞的，即执行 I/O 操作时，线程会被阻塞，直到操作完成。在阻塞 I/O 模型中，每个连接都需要一个线程来处理。因此，对于大量并发连接的场景，阻塞 I/O 模型的性能较差。
非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）：在这种模型中，I/O 操作不会阻塞线程。当数据尚未准备好时，I/O 调用会立即返回。线程可以继续执行其他任务，然后在适当的时候再次尝试执行 I/O 操作。非阻塞 I/O 模型允许单个线程同时处理多个连接，但可能需要在应用程序级别进行复杂的调度和管理。
在上面的两幅图中，涉及到了两个概念：内核空间和用户空间。我们之前在介绍非直接缓冲区的时候，有这样一副图片。
其中的非直接缓冲区（JVM）就是在用户空间中，内核缓冲区（OS）就是在内核空间上。
内核空间是操作系统内核的专用内存区域，用于存储内核代码、数据结构和运行内核级别的系统调用。内核空间具有较高的权限级别，能够直接访问硬件资源和底层系统服务。一般来说，内核空间是受到严格保护的，用户级别的程序不能直接访问内核空间，以确保操作系统的稳定性和安全性。
用户空间是为用户级别的应用程序和服务分配的内存区域。它包含了应用程序的代码、数据和运行时堆栈。用户空间与内核空间相对隔离，具有较低的权限级别，不能直接访问内核空间或硬件资源。应用程序需要通过系统调用与内核空间进行交互，请求操作系统提供的服务。
内核空间和用户空间的划分有助于操作系统实现内存保护和权限控制，确保系统运行的稳定性和安全性。当用户程序需要访问系统资源或执行特权操作时，它需要通过系统调用切换到内核空间，由内核代理执行相应的操作。这种设计可以防止恶意或错误的用户程序直接访问内核空间，从而破坏系统的稳定性和安全性。同时，这种划分也提高了操作系统的可扩展性，因为内核空间和用户空间可以独立地进行扩展和优化。
除了前面提到的阻塞 IO 和非阻塞 IO 模型，还有另外三种 IO 模型，分别是多路复用、信号驱动和异步 IO。
I/O 多路复用（I/O Multiplexing）模型使用操作系统提供的多路复用功能（如 select、poll、epoll 等），使得单个线程可以同时处理多个 I/O 事件。当某个连接上的数据准备好时，操作系统会通知应用程序。这样，应用程序可以在一个线程中处理多个并发连接，而不需要为每个连接创建一个线程。
- select 是 Unix 系统中最早的 I/O 多路复用技术。它允许一个线程同时监视多个文件描述符（如套接字），并等待某个文件描述符上的 I/O 事件（如可读、可写或异常）。select 的主要问题是性能受限，特别是在处理大量文件描述符时。这是因为它使用一个位掩码来表示文件描述符集，每次调用都需要传递这个掩码，并在内核和用户空间之间进行复制。
- poll 是对 select 的改进。它使用一个文件描述符数组而不是位掩码来表示文件描述符集。这样可以避免 select 中的性能问题。然而，poll 仍然需要遍历整个文件描述符数组，以检查每个文件描述符的状态。因此，在处理大量文件描述符时，性能仍然受限。
- epoll 是 Linux 中的一种高性能 I/O 多路复用技术。它通过在内核中维护一个事件表来避免遍历文件描述符数组的性能问题。当某个文件描述符上的 I/O 事件发生时，内核会将该事件添加到事件表中。应用程序可以使用 epoll_wait 函数来获取已准备好的 I/O 事件，而无需遍历整个文件描述符集。这种方法大大提高了在大量并发连接下的性能。
在 Java NIO 中，I/O 多路复用主要通过 Selector 类实现。Selector 能够监控多个 Channel（通道）上的 I/O 事件，如连接、读取和写入。这使得一个线程可以处理多个并发连接，提高了程序的性能和可伸缩性。
以下是 Java NIO 中 I/O 多路复用的应用：
①、首先，需要创建一个 Selector 对象。
②、然后，需要将 Channel 注册到 Selector。每个 Channel 必须配置为非阻塞模式，才能与 Selector 一起使用。在注册 Channel 时，还需要指定感兴趣的 I/O 事件，如 SelectionKey.OP_ACCEPT（接受连接）、SelectionKey.OP_READ（读取数据）等。
③、接下来，使用 Selector 的 方法等待 I/O 事件。 方法会阻塞，直到至少有一个 Channel 上的事件发生。当有事件发生时，可以通过调用 方法获取已准备好进行 I/O 操作的 Channel 的 SelectionKey 集合。
④、最后，根据 SelectionKey 的状态，执行相应的 I/O 操作。例如，如果 SelectionKey 表示 Channel 已准备好接受新的连接，可以调用 ServerSocketChannel 的 方法。如果 SelectionKey 表示 Channel 已准备好读取数据，可以从 SocketChannel 中读取数据。
完整的代码示例可以看之前的章节：Java NIO 网络编程实践
信号驱动 I/O（Signal-driven I/O）模型中，应用程序可以向操作系统注册一个信号处理函数，当某个 I/O 事件发生时，操作系统会发送一个信号通知应用程序。应用程序在收到信号后处理相应的 I/O 事件。这种模型与非阻塞 I/O 类似，也需要在应用程序级别进行事件管理和调度。
多路复用和信号驱动的差别主要在事件通知机制和引用场景上。
多路复用模型允许一个线程同时管理多个 I/O 连接。这是通过使用特殊的系统调用（如 select、poll 和 epoll）实现的，它们能够监视多个文件描述符上的 I/O 事件。当某个 I/O 事件发生时，这些系统调用会返回，通知应用程序执行相应的 I/O 操作。I/O 多路复用模型适用于高并发、低延迟和高吞吐量的场景，因为它能够有效地减少线程数量和上下文切换开销。
信号驱动模型依赖于信号（如 SIGIO）来通知应用程序 I/O 事件的发生。在这个模型中，应用程序首先设置文件描述符为信号驱动模式，并为相应的信号注册处理函数。当 I/O 事件发生时，内核会发送一个信号给应用程序，触发信号处理函数的执行。然后，应用程序可以在信号处理函数中执行相应的 I/O 操作。I/O 信号驱动模型适用于低并发、低延迟和低吞吐量的场景，因为它需要为每个 I/O 事件创建一个信号和信号处理函数。
Linux 的内核将所有外部设备都看做一个文件来操作，对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令(api)，返回一个 file descriptor（fd，文件描述符）。而对一个Socket的读写也会有响应的描述符，称为 socket fd（Socket文件描述符），描述符就是一个数字，指向内核中的一个结构体（文件路径，数据区等一些属性）。
在Linux下对文件的操作是利用文件描述符(file descriptor)来实现的。
异步 I/O（Asynchronous I/O）模型与同步 I/O 模型的主要区别在于，异步 I/O 操作会在后台运行，当操作完成时，操作系统会通知应用程序。应用程序不需要等待 I/O 操作的完成，可以继续执行其他任务。这种模型适用于处理大量并发连接，且可以简化应用程序的设计和开发。
- 同步：在执行 I/O 操作时，应用程序需要等待操作的完成。同步操作会导致线程阻塞，直到操作完成。同步 I/O 包括阻塞 I/O、非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。
- 异步：在执行 I/O 操作时，应用程序不需要等待操作的完成。异步操作允许应用程序在 I/O 操作进行时继续执行其他任务。异步 I/O 模型包括信号驱动 I/O 和异步 I/O。
假设你现在是个大厨（炖个老母鸡汤，切点土豆丝/姜丝/葱丝）：
- 同步/阻塞：你站在锅边，一直等到汤炖好，期间不能做其他事情，直到汤炖好才去处理其他任务。
- 同步/非阻塞：你不断地查看锅里的汤，看是否炖好。在检查的间隙，你可以处理其他任务，如切菜。但你需要不断地切换任务，确保汤炖好了就可以处理。
- 异步/信号驱动：你给锅安装一个传感器，当汤炖好时，传感器会发出信号提醒你。在此期间，你可以处理其他任务，而不用担心错过汤炖好的时机。
- 异步 I/O：你请了一个助手，让他负责炖汤。当汤炖好时，助手会通知你。你可以专心处理其他任务，而无需关心炖汤的过程。
简单总结一下，IO 模型主要有五种：阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用、信号驱动和异步 I/O。
- 阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，会一直等待数据传输完成，期间无法执行其他任务。
- 非阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，如果数据未准备好，立即返回错误状态，不等待数据传输完成，可执行其他任务。
- 多路复用：允许一个线程同时管理多个 I/O 连接，适用于高并发、低延迟和高吞吐量场景，减少线程数量和上下文切换开销。
- 信号驱动：依赖信号通知应用程序 I/O 事件，适用于低并发、低延迟和低吞吐量场景，需要为每个 I/O 事件创建信号和信号处理函数。
- 异步 I/O：应用程序发起 I/O 操作后，内核负责数据传输过程，完成后通知应用程序。应用程序无需等待数据传输，可执行其他任务。
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