网络编程之BIO和NIO
OSI网络七层模型
为了使不同的计算机厂家的计算机可以相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO推荐了一个网络系统结构----七层参考模型。
每层的主要功能：
TCP/UDP协议
TCP协议（传输控制层协议），是Internet一个重要的传输层协议，TCP提供面向连接、可靠、有序，字节流传输服务，在使用TCP之前，需要建立TCP连接。
TCP消息头
1：16位源端口号和16位目的端口号，告诉我们，报文来自什么地方（源端口号），要传向什么地方（目的端口号），TCP通信时，客户端的端口号一般是自动生成的，服务端的端口号可以自己指定。
2：标志位：
URG：表示紧急指针是否有效
ACK：确认号是否有效
PSH：接收方接收到数据后，应该立即转到应用层
RST：重新连接标志
SYN：建立连接标志
FIN：关闭连接标志
TCP三次握手、四次挥手
一：三次握手
三次握手，就是说发起的人，跟另一个人说你能听到我说话吗，另一个说我能听到，你可以听到我说的吗，发起的人说我也可以听到，那么接下来就可以聊天了。
下面看下三次握手的过程：
1：第一次握手，客户端将SYN标志位设置为1，并产生一个随机的值Seq=x，然后把syn包发送给服务端，客户端的状态变为SYN_SENT，等待服务端去确认。
2：第二次握手，服务端收到客户端的建立连接请求后，要确认连接，即ack=x+1，然后也有一个syn=1，并且也随机产生一个值Seq=y，然后发送给客户端确认连接请求，最后服务端的状态变为SYN_RCVD。
3：第三次握手，客户端收到服务端的确认请求后，确认ack=x+1，如果正确，就给服务端发送ack=y+1，seq=z，服务端收到后再次检查，正确后就可以建立连接成功，客户端和服务端都进入ESTABLISHED状态。
为什么是三次握手而不是两次或者四次？
看过别的文章都应该清楚，为何要是三次握手：
如果是两次，客户端发送了一个连接请求，假如在传输的过程中，因为网络的原因，迟迟未发送给服务端，这时，客户端又发送了一个连接请求，然后服务端回应了这个请求，连接建立成功，然后过一段时间，这个迟迟未到的请求又恢复了，然后发送给服务端，这时又会建立请求，这样会消耗资源。
为何不是四次呢，三次就可以建立连接通信了，所以不需要第四次了。
二：四次挥手
四次挥手：
1：第一次挥手，客户端主动发送关闭连接请求，客户端发送FIN=1，seq=u给服务端，告诉服务端我没有数据要发送给你了，如果服务端还有数据发送，那么我客户端可以接收，这时客户端状态会变为FIN_WAIT_1。
2：第二次挥手，服务端收到客户端关闭连接请求后，会给客户端发送一个确认ack=1，告诉客户端，你的请求我收到了，但是呢，我还没有准备好关闭呢，可能还有数据没有传输完成，然后客户端进入FIN_WAIT_2状态。
3：第三次挥手，服务端确认数据已经传输完成了，可以进入准备关闭状态了，就给客户端发送一个FIN=1，这时服务端进入LAST_ACK状态。
4：客户端收到服务端的请求后，会再发一个确认请求给服务端，然后客户端进入TIME_WAIT状态，服务端收到后，就可以确认关闭连接了，客户端会等待2MSL，证明服务端已经关闭了，然后客户端也可以关闭了，最后就完成了四次挥手。
四次挥手主要是为了保证数据传输的完整性。
UDP协议
用户数据报协议UDP是传输层的协议，提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。
TCP协议/UDP协议区别
| TCP | UDP |
|---|---|
| 面向连接 | 无连接 |
| 可靠 | 不可靠 |
| 资源占用多 | 资源占用少 |
| 慢 | 快 |
| TCP协议的请求包相对于UDP协议的请求包，占用的字节要大，所以资源占用多一些；而快和慢主要是比较两者，请求包大传输就会相对慢一些。 |
HTTP协议
HTTP协议是应用层协议
HTTP协议请求头
HTTP协议响应头
HTTP状态码
socket编程
socket中文翻译叫做套接字。
Socket是Internet中应用最为广泛的网络应用编程接口，实现了与三种底层协议的交互：
1：数据包类型的Socket，是面向UDP的
2：流式Socket，是面向TCP的
3：原始的Socket，面向IP、ICMP等
Socket调用的过程：
Socket API中定义了很多函数：
listen()、accept()只用于服务端
connect()只用于客户端
还有其他一些函数：socket()、bind()、close()等
BIO
BIO服务端
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocket，并指定一个端口号8098
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8998);
System.out.println("服务器启动成功");
//判断ServerSocket是不是已经关闭了
while (!serverSocket.isClosed()) {
//获取客户端的连接
//accept会阻塞，直到有新的连接过来
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接：" + socket.toString());
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据，就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了，来自：" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据：" + readMsg);
}
//关闭ServerSocket
serverSocket.close();
}
BIO客户端
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个Socket，连接服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 8998);
//写数据
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String writeMsg = scanner.nextLine();
outputStream.write(writeMsg.getBytes("utf-8"));
//关闭连接
scanner.close();
socket.close();
}
启动服务端和客户端，进行数据传输：
服务端输出结果：
客户端输入：
可以看到，到启动好服务端后，再去启动客户端，服务端会立马打印有新连接过来，当在客户端输入一些数据时，服务端就会接收到数据然后打印；服务端的端口号一般是自己指定，客户端的端口号一般是随机生成的。
如果启动两个客户端会发生什么呢？
可以看到，启动两个客户端后，服务端只打印了一个客户端连接进来了，是因为服务端读取数据时会阻塞，再次开启一个客户端过来，就不会再打印新的连接了，只有当第一个客户端数据传输到服务端后，另一个客户端才会连接进来：
上图可以看到，第一个客户端数据传输到服务端后，另一个客户端连接就立马打印了，怎么解决这种问题呢？
因为在服务端只有一个main方法，也就是只有一个单线程，那么换成多线程时，就可以解决这种阻塞问题，看下面改造后的代码：
//创建一个线程池
public static ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocket，并指定一个端口号8098
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8998);
System.out.println("服务器启动成功");
//判断ServerSocket是不是已经关闭了
while (!serverSocket.isClosed()) {
//获取客户端的连接
//accept会阻塞，直到有新的连接过来
Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接：" + socket.toString());
//执行后，会立马返回，不会阻塞
executorService.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据，就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了，来自：" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据：" + readMsg);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
//关闭ServerSocket
serverSocket.close();
}
启动两个客户端后，服务端打印结果：
可以看到，最后就不会再阻塞了，这种利用多个线程解决阻塞问题的方式，存在很大的问题，当有成千上万个客户端需要连接时，那开启的线程数就相当多了，对于CPU来说，会有很大的消耗，而且CPU在线程之间切换，也会耗时。
阻塞IO、非阻塞IO、同步IO和异步IO，可以参考：https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/6525396.html
客户端可以发送数据给服务端，那么服务端也可以发送数据给客户端，改造上面的服务端和客户端代码：
改造后的服务端：
try {
//读取客户端发来的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据，就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("有数据发过来了，来自：" + socket.toString());
System.out.println("收到客户端的数据：" + readMsg);
//发送数据给客户端
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
//加\r\n是因为读取数据的方法是readLine
outputStream.write("hello world\r\n".getBytes());
outputStream.flush();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
改造后的客户端：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个Socket，连接服务端
Socket socket = new Socket("localhost", 8998);
//写数据
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String writeMsg = scanner.nextLine() + "\r\n";
outputStream.write(writeMsg.getBytes("utf-8"));
//关闭连接
scanner.close();
//获取服务端发送过来的数据
System.out.println("服务端响应的数据：");
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String readMsg;
while ((readMsg = reader.readLine()) != null) {
//读取到数据，就退出循环
if (readMsg.length() > 0) {
break;
}
}
System.out.println("获取到服务端发送的数据：" + readMsg);
socket.close();
}
客户端打印结果：
在使用tomcat时，启动后，输入tomcat启动后的地址可以在浏览器中访问到页面，那么下面再次修改服务端代码，使得可以在浏览器访问，主要是需要遵守浏览器中使用的HTTP协议，即响应头部信息需要加上：
//发送数据给客户端
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
outputStream.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
outputStream.write("Content-Length: 11\r\n\r\n".getBytes());
outputStream.write("hello world".getBytes());
outputStream.flush();
使用浏览器访问：
NIO
NIO始于java1.4，提供了非阻塞的API，NIO中有三个核心组件：Buffer缓冲区、Channel通道、Selector选择器。
Buffer缓冲区
Buffer缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块，类似数组，然后还可以读取数据，它提供了一些方法，可以更加方便的操作，使用Buffer写入和读取数据需要下面四个步骤：
1：将数据写入Buffer缓冲区
2：调用buffer.flip()，转换为读取模式
3：从Buffer缓冲区读取数据
4：调用buffer.clear()或者buffer.compact()转换为写模式
Buffer的工作原理：
capacity容量：作为一个内存块，它肯定有大小，也就是容量
position位置：也就是数据的索引值，写入模式时指写数据的位置，读取模式时指读数据的位置
limit限制：写入模式时，限制等于buffer的容量，读取模式时指写入的数据量
ByteBuffer：
ByteBuffer为性能关键性的代码提供了两种实现：直接内存和堆内存。
可以看到，从堆内存进行读写，多了一次拷贝，下面看下ByteBuffer的用法：
public static void main(String[] args) {
//分配10容量
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
//直接内存的用法
//ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.allocateDirect(10);
System.out.println("capacity容量：" + byteBuffer.capacity()
+ "，position位置：" + byteBuffer.position() + "，limit限制：" + byteBuffer.limit());
//写入数据
byteBuffer.put("1".getBytes());
byteBuffer.put("2".getBytes());
byteBuffer.put("3".getBytes());
//再看一下数据
System.out.println("capacity容量：" + byteBuffer.capacity()
+ "，position位置：" + byteBuffer.position() + "，limit限制：" + byteBuffer.limit());
//读取数据
System.out.println("--------------开始读取数据---------------");
//转换为读模式
byteBuffer.flip();
byte byte1 = byteBuffer.get();
System.out.println(byte1);
byte byte2 = byteBuffer.get();
System.out.println(byte2);
System.out.println("读取两个数据之后，capacity容量：" + byteBuffer.capacity()
+ "，position位置：" + byteBuffer.position() + "，limit限制：" + byteBuffer.limit());
//写入数据
System.out.println("--------------再次写入数据---------------");
byteBuffer.compact();
byteBuffer.put("4".getBytes());
byteBuffer.put("5".getBytes());
System.out.println("capacity容量：" + byteBuffer.capacity()
+ "，position位置：" + byteBuffer.position() + "，limit限制：" + byteBuffer.limit());
}
输出结果：
ByteBuffer和BIO读取和写入数据的区别：
BIO读取和写入:
BIO读取和写入是单向的，通过OutputStream写和InputStream读来实现。
ByteBuffer读取和写入：
ByteBuffer的读取和写入是双向的，通过Channel通道实现。
Channel通道
Channel通道是在一个通道内进行读写，是双向的，可以非阻塞的进行读取和写入，通道始终读取和写入buffer中，也就是读取的时候，先从buffer中读取出来，然后通过通道去传输，写入的时候也是先写入buffer，然后再写入通道中去传输。
Channel和BIO的实现有什么好处和区别呢？看下面图示：
BIO:
BIO中，客户端和服务端通信，都需要建立一个线程，线程多了，消耗CPU。
Channel实现：
NIO中是使用Channel和Selector实现。
Selector选择器
Selector选择器，可以检查一个或者多个通道，并且可以确定哪些通道已经准备好读取和写入了，可以实现单个线程管理多个通道，继而管理多个网络连接。
一个线程使用Selector可以监听多个Channel，有四个事件：
1：connect（对应常量值：OP_CONNECT）
2：accept（对应常量值：OP_ACCEPT）
3：read（对应常量值：OP_READ）
4：write（对应常量值：OP_WRITE）
Selector选择器可以监听哪些通道已经注册了事件，通过判断不同的事件，进行处理。
Selector的实现原理：
select会监听Channel通道，当Channel中有数据可以读取或者写入时，就会把Channel的引用拷贝一份出来，放到selectKeys集合中，selectKeys中都是监听到的可以进行读取或者写入的通道，那么下面通过遍历selectKeys，然后根据Selector提供的ket.isConnectable()、ket.isAcceptable()、ket.isReadable()、ket.isWritable()判断是哪个事件，然后再进行事件处理。
下面通过具体的实例实现上面所说的内容，以便更容易理解。
NIO实例
服务端代码：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//默认是阻塞的，需要手动设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//指定一个服务端的端口号
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8977));
System.out.println("服务端启动成功");
while (true) {
//serverSocketChannel.accept()
//如果通道是非阻塞模式，那么没有挂起的连接，这个方法会立即返回，必须要检查是否为空
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel != null) {
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//socketChannel.getRemoteAddress获取客户端连接信息
System.out.println("收到一个新的连接：" + socketChannel.getRemoteAddress());
try {
//读取数据
//创建一个ByteBuffer，并指定容量大小为1024
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
String readMsg;
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (byteBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//没有数据就继续执行下面的代码
if(byteBuffer.position() == 0) {
continue;
}
//转换为读取模式
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到新的数据：" + new String(bytes));
System.out.println("收到新的数据，来自：" + socketChannel.getRemoteAddress());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
客户端代码：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8977));
//当客户端没有连接上就等待
while (!socketChannel.finishConnect()) {
Thread.yield();
}
//写入数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String writeMsg = scanner.nextLine();
//ByteBuffer方法的用法请自行百度
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(byteBuffer);
}
//关闭
scanner.close();
socketChannel.close();
}
服务端输出结果：
同样的，服务端也可以发送数据给客户端，修改上述服务端和客户端代码代码。
服务端加入下面的代码：
//写入数据
String writeMsg = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"hello world";
//为啥没调用转换写入模式，这里新建了一个ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (writeBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(writeBuffer);
}
客户端加入下面的代码：
//获取服务端数据
System.out.println("收到服务端响应：");
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(readBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (readBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//转换为读取模式
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.limit()];
readBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到服务端数据：" + new String(bytes));
客户端打印结果：
改造上面的服务端和客户端代码，使用Selector：
使用Selector的好处，不用遍历所有的通道，直接遍历有事件触发的通道，节省时间和资源的消耗。
服务端修改之后：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//默认是阻塞的，需要手动设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
//注册一个感兴趣的事件
//服务端永远是被动的，所以这里只能注册OP_ACCEPT事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//指定一个服务端的端口号
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8977));
System.out.println("服务端启动成功");
while (true) {
//启动selector，会阻塞，直到有事件为止，可以监听事件的触发
selector.select();
//获取到触发的事件集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
//获取已经准备就绪的事件
if (key.isAcceptable()) {
//获取到客户端的Channel
SocketChannel socketChannel = ((ServerSocketChannel)key.channel()).accept();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//注册事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("收到一个新的连接：" + socketChannel.getRemoteAddress());
} else if (key.isReadable()) {
try {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();
//读取数据
//创建一个ByteBuffer，并指定容量大小为1024
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (byteBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//没有数据就继续执行下面的代码
if(byteBuffer.position() == 0) {
continue;
}
//转换为读取模式
byteBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到新的数据：" + new String(bytes));
System.out.println("收到新的数据，来自：" + socketChannel.getRemoteAddress());
//写入数据
String writeMsg = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"hello world";
//为啥没调用转换写入模式，这里新建了一个ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (writeBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(writeBuffer);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//处理完之后要移除，不然下次还会再集合中
//需要自己去管理集合
iterator.remove();
}
}
客户端修改之后：
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建一个SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
//创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
//注册一个感兴趣的事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8977));
while (true) {
//启动selector，会阻塞，直到有事件为止，可以监听事件的触发
selector.select();
//获取到触发的事件集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
//遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if (key.isConnectable()) {
if (socketChannel.finishConnect()) {
System.out.println("连接成功：" + socketChannel);
//切换事件为写入
key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}
} else if(key.isWritable()) {
//写入数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String writeMsg = scanner.nextLine();
scanner.close();
//ByteBuffer方法的用法请自行百度
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(writeMsg.getBytes());
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(byteBuffer);
}
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
//获取服务端数据
System.out.println("收到服务端响应：");
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//read会阻塞
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(readBuffer) != -1) {
//手动判断有没有读取结束
if (readBuffer.position() > 0) {
break;
}
}
//转换为读取模式
readBuffer.flip();
byte[] bytes = new byte[readBuffer.limit()];
readBuffer.get(bytes);
System.out.println("收到服务端数据：" + new String(bytes));
}
//处理完之后要移除，不然下次还会再集合中
iterator.remove();
}
}
}
服务端打印结果：
客户端打印结果：
启动多个客户端后，服务端打印结果：
注意：SocketChannel的write方法，可能在没有写入任何内容就返回了，所以需要在while中使用，read可能没有读取直接返回了null，所以需要根据返回的int值判断读取了多少内容。
注意：ServerSocketChannel的accept方法，在通道没有阻塞的情况下，如果没有挂起的连接，会立即返回null，所以必须要检查ServerSocketChannel的accept方法是否为空。
到此，NIO三个核心组件就说完了。
