在生活中，最常见的阻塞现象是公路上汽车的堵塞。汽车在公路上快速行驶，如果前方交通受阻，就只好停下来等待，等到公路顺畅，才能恢复行驶。

【资料图】

线程在运行中也会因为某些原因而阻塞。所有处于阻塞状态的线程的共同特征：放弃 CPU，暂停运行，只有等到导致阻塞的原因消除，才能恢复运行，或者被其他线程中断该线程会退出阻塞状态，并且抛出 InterruptedException

导致线程阻塞的原因主要有以下方面：

进行远程通信时，在客户程序中，线程在以下情况下可能进入阻塞状态：

请求与服务器建立连接时，即当线程执行 Socket 的带参数的构造方法，或执行 Socke 的 connect()方法时，会进入阻塞状态，直到连接成功，此线程才从 Socket 的构造方法或 connect()方法返回

线程从 Socket 的输入流读入数据时，如果没有足够的数据，就会进入阻塞状态，直到读到了足够的数据，或者到达输入流的末尾，或者出现了异常，才从输入流的 read()方法返回或异常中断

输入流中有多少数据才算足够呢？这要看线程执行的 read()方法的类：

线程向 Socket 的输出流写一批数据时，可能会进入阻塞状态，等到输出了所有的数据，或者出现异常，才从输出流的 write()方法返回或异常中断

如果调用 Socket 的 setSoLinger()方法设置了关闭 Socket 的延迟时间，那么当线程执行 Socket 的 close()方法时，会进入阻塞状态，直到底层 Socket 发送完所有剩余数据或者超过了 setSoLinger()方法设置的延迟时间，才从 close()方法返回

在服务器程序中，线程在以下情况下可能会进入阻塞状态：

由此可见，无论是在服务器程序还是客户程序中，当通过 Socket 的输入流和输出流读写数据时，都可能进入阻塞状态。这种可能出现阻塞的输入和输出操作被称为阻塞 IO。与此对照，如果执行输入和输出操作时，不会发生阻塞，则称为非阻塞 IO

假如同时要做两件事：烧开水和煮粥

烧开水的步骤如下：

锅子里放水，打开煤气炉等待水烧开 // 阻塞关闭煤气炉，把开水灌到水壶里

煮粥的步骤如下：

锅子里放水和米，打开煤气炉等待粥煮开 // 阻塞调整煤气炉，改为小火等待粥煮熟 // 阻塞关闭煤气炉

为了同时完成两件事，一种方案是同时请两个人分别做其中的一件事，这相当于采用多线程来同时完成多个任务。还有一种方案是让一个人同时完成两件事，这个人应该善于利用一件事的空闲时间去做另一件事，这个人一刻也不应该闲着：

锅子里放水，打开煤气炉 // 开始烧开水锅子里放水和米，打开煤气炉 // 开始煮粥while(一直等待，直到有水烧开、粥煮开或粥煮熟事件发生) { // 阻塞if(水烧开)关闭煤气炉，把开水灌到水壶里;if((粥煮开)调整煤气炉，改为小火;if(粥熟)关闭煤气炉;}

这个人不断监控烧水和煮粥的状态，如果发生了条件中任一事件就去处理，处理完一件事后继续监控，直到所有的任务都完成

以上工作方式也可以被运用到服务器程序中，服务器程序只需要一个线程就能同时接收客户的连接、接收各个客户发送的数据，以及向各个客户发送响应数据。服务器程序的处理流程如下：

while(一直等待，直到有接收连接就绪事件、读绪事件或写就绪事件发生) { //阻塞if(有客户连接)接收客户的连接; // 非阻塞if(某个socket的输入流中有可读数据)从输入流中读数据; // 非阻塞if(某个socket的输出流可以写数据)向输出流写数据; // 非阻塞}

以上处理流程采用了轮询的工作方式，当某一种操作就绪，就执行该操作，否则就查看是否还有其他就绪的操作可以执行。线程不会因为某一个操作还没有就绪，就进入阻塞状态，一直傻傻地在那里等待这个操作就绪

为了使轮询的工作方式顺利进行，接收客户的连接、从输入流读数据，以及向输出流写数据的操作都应该以非阻寒的方式运行。所谓非阻塞，指当线程执行这些方法时，如果操作还没有就绪，就立即返回，而不会一直等到操作就绪

java.nio.channels包提供了支持非阻塞通信的类，如下所述：

ServerSocketChannel及 SocketChannel都是 SelectableChannel的子类，如图所示，SelectableChannel类及其子类都能委托 Selector来监控它们可能发生的一些事件，这种委托过程也被称为注册事件过程

ServerSocketChannel向 Selector注册接收连接就绪事件的代码如下：

SelectionKey key = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

SelectionKey类的一些静态常量表示事件类型，ServerSockerChamnel只可能发生一种事件：

SocketChannel可能发生以下三种事件：

SocketChannel提供了接收和发送数据的方法：

ByteBuffer表示字节缓冲区，SocketChannel的 read()和 write()方法都会操纵 ByteBuffer。ByteBuffer类继承于 Buffer类。ByteBuffer中存放的是字节，为了把它们转换为字符串还需要用到 Charset类，Charset类代表字符编码，它提供了把字节流转换为字符串（解码过程）和把字符串转换为字节流（编码过程）的实用方法

下面分别介绍 Buffer、Charset、SelectableChannel、ServerSocketChannel、SocketChannel、Selector和 SelectionKey的用法

数据输入和输出往往是比较耗时的操作，缓冲区从两个方面提高 I/O 操作的效率：

java.nio包公开了 Buffer类的 API，使得 Java 程序可以直接控制和运用缓冲区，所有的缓冲区都有以下属性：

以上三个属性的关系为：容量 > 极限 >= 位置 >= 0

缓冲区提供了用于改变以上三个属性的方法：

// 把极限设为容量，把位置设为0clear();// 把极限设为位置，把位置设为 0flip();// 不改变极限，把位置设为0rewind();

Buffer类的 remaining()方法返回缓冲区的剩余容量，取值等于 极限 - 位置

Buffer类的 compact()方法删除缓冲区内从 0 到当前位置 position 的内容，然后把从当前位置 position 到极限limit 的内容拷贝到 0 到 limit - position 的区域内

java.nio.Buffer类是一个抽象类，不能被实例化。它共有 8 个具体的缓冲区类，其中最基本的缓冲区是 ByteBuffer，它存放的数据单元是字节，ByteBufer类并没有提供公开的构造方法，但是提供了两个获得 ByteBuffer实例的静态工厂方法：

// 返回一个ByteBuffer对象，参数capacity指定缓冲区的容量allocate(int capacity);// 返回一个ByteBuffer对象，参数capacity指定缓冲区的容量// 该方法返回的缓冲区被称为直接缓冲区，能进一步提高 I/O 操作的速度// 分配直接缓冲区的系统开销很大，因此只有在缓冲区较大并且长期存在，或经常重用时，才使用该缓冲区directAllocate(int capacity);

除 boolean 类型以外，每种基本类型都有对应的缓冲区类，包括 CharBuffer，DoubleBuffer，FloatBuffer，IntBuffer，LongBuffer，ShortBuffer。在 CharBuffer中存放的数据单元为字符，以此类推。还有一种缓冲区是 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer的子类，能够把缓冲区和文件的某个区域直接映射

所有具体缓冲区类都提供了读写缓冲区的方法：

// 相对读，从缓冲区的当前位置读取一个单元的数据，读完后把位置加1get();// 绝对读，从参数 index 指定的位置读取一个单元的数据get(int index);// 相对写，向缓冲区的当前位置写一个单元的数据，写完后把位置加1put(单元数据类型 data);// 绝对写，向参数index指定的位置写入一个单元的数据put(int index, 单元数据类型 data);

ByteBuffer类不仅可以读取和写入一个单元的字节，还可以读取和写入 int、char、float 和 double 等基本类型的数据，例如：

getInt()getInt(int index)

以上不带 index 参数的方法会在当前位置读取或写入数据，称为相对读写。带 index 参数的方法会在 index 参数指定的位置读取或写入数据，称为绝对读写

java.nio.Charset类的每个实例代表特定的字符编码类型，把字节序列转换为字符串的过程称为解码，把字符串转换为字节序列的过程称为编码

Charset类提供了编码与解码的方法：

// 对参数str指定的字符串进行编码,把得到的字节序列存放在一个ByteBuffer对象并将其返回ByteBuffer encode(String str);// 对参数cb指定的字符缓冲区中的字符进行编码,把得到的字节序列存放在一个ByteBuffer对象并将其返回ByteBuffer encode(CharBuffer cb);// 对参数bb指定的ByteBuffer的字节序列进行解码，把得到的字符序列存放在一个CharBuffer对象并将其返回CharBuffer decode(ByteBuffer bb);

Charset类的静态 forName(String encode)方法返回一个 Charset对象，参数 encode指定编码类型。例如以下代码创建了一个代表 GBK 编码的 Charset对象

Charset charset = Charset.forName("GBK");

Charset类还有一个静态方法 defaultCharset()，它返回代表本地平台的默认字符编码的 Charset对象

通道（Channel）用来连接缓冲区与数据源或数据汇（即数据目的地），数据源的数据经过通道到达缓冲区，缓冲区的数据经过通道到达数据汇

Channel 的主要层次结构如下：

java.nio.channels.Channel接口只声明了两个方法：

// 关闭通道close();// 判断通道是否打开isOpen();

Channel接口的两个最重要的子接口是 ReadableByteChannel和 WritableByteChannel。ReadableByteChannel接口声明了 read(ByteBuffer dst)方法，该方法把数据源的数据读入参数指定的 ByteBuffer缓冲区中。WritableByteChannel接口声明了 write(ByteBuffer src)方法，该方法把参数指定的 ByteBuffer缓冲区中的数据写到数据汇中

ByteChannel接口是一个便利接口，它扩展了 ReadableByteChannel和 WritableByteChannel接口，因而同时支持读写操作

ScatteringByteChannel接口扩展了 ReadableByteChannel接口，允许分散地读取数据。分散读取数据指单个读取操作能填充多个缓冲区，ScatteringByteChannel接口声明了 read(ByteBuffer[] dsts)方法，该方法把从数据源读取的数据依次填充到参数指定的各个 ByteBuffer

GatheringByteChannel扩展了 WritableByteChannel接口，允许集中地写入数据。集中写入数据指单个写操作能把多个缓冲区的数据写到数据， GatheringByteChannel接口声明了 write(ByteBuffer[] srcs)方法，该方法依次把参数指定的每个 ByteBuffer中的数写到数据汇

FileChannel类是 Channel接口的实现类，代表一个与文件相连的通道。该类实现了 ByteChannel、ScatteringByteChannel和 GatheringByteChannel接口，支持读操作、写操作、分散读操作和集中写操作。FileChannel类没有提供公开的构造方法，因此不能用 new语句来构造它的实例。不过，在FileInputStream、FileOutputStream和 RandomAccessFile类中提供了 getChannel()方法，该方法返回相应的 FileChannel对象

SelectableChannel也是一种通道，它不仅支持阻塞的 I/O操作，还支持非阻塞的 I/O。SelectableChannel有两个子类，ServerSocketChannel和 SocketChannel。SocketChannel还实现了 ByteChannel接口，具有 read(ByteBuffer dst)和 write(ByteBuffer src)方法

SelectableChannel是一种支持阻塞 IO 和非阻塞 IO 的通道。在非阻塞模式下，读写数据不会阻塞，并且 SelectableChannel可以向 Selector注册读就绪和写就绪等事件。Selector负责监控这些事件，等到事件发生时，比如发生了读就绪事件，SelectableChannel就可以执行读操作了

SelectableChannel的主要方法如下：

// 当参数block为true，表示把SelectableChannel设为阻塞模式// 当参数block为false时，表示把SelectableChannel设为非阻塞模式// SelectableChannel默认采用阻塞模式// 该方法返回SelectableChannel对象本身的引用，相当于return thispublic SelectableChannel configureBlocking(boolean block) throws IOException// 以下两个方法都向Selector注册事件public SelectionKey register(Selector sel,int ops) throws ClosedChannelExceptionpublic SelectionKey register(Selector sel,int ops,Object attachment) throws ClosedChannelException

以下是 socketChannel向 Selector注册读就绪和写就绪事件

SelectionKey key = socketChannel.register(selector.SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

register()方法返回一个 SelectionKey对象，SeletionKey被用来跟踪被注册的事件。第二个 register()方法还有一个 Object类型的参数 attachment，用于为 SelectionKey关联附件，当被注册事件发生后，需要处理该事件时，可以从 SelectionKey中获得这个附件，该附件可用来包含与处理这个事件相关的信息

ServerSocketChannel继承自 SelectableChannel，是 ServerSocket的替代类，通过它的静态方法 open()来创建。每个 ServerSockeChannel对象都与一个 ServerSocket对象关，通过 socket()方法返回与它关联的 ServerSocket对象。可通过以下方式把服务器进程绑定到一个本地端口：

serverSocketChannel.socket().bind(port);

ServerSocketChannel的主要方法如下：

// 返回一个ServerSocketChannel对象,该对象没有与任何本地端口绑定,并且处于阻塞模式public static ServerSocketChannel open() throws IOException// 用于接收客户的连接,如果处于非阻塞状态,当没有客户连接时就立即返回nullpublic SocketChannel accept() throws IOException// 返回ServerSocketChannel所能产生的事件,这个方法总是返回SelectionKey.OP_ACCEPTpublic final int validOps()// 返回ServerSocketChannel关联的ServerSocket对象public ServerSocket socket()

SockeChannel可以被看作是 Socket的替代类，SockeChannel不仅继承了 SelectableChannel，而且实现了 ByteChannel。SockeChannel同样通过它的静态方法 open()来创建

public static SocketChannel open() throws IOException// 带参数的构造方法还会建立与远程服务器的连接public static SocketChannel open(SocketAddress remote) throws IOException

SocketChannel的主要方法如下：

// 返回ServerSocketChannel所能产生的事件,这个方法总是返回以下值// SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITEpublic final int validOps()// 返回SocketChannel关联的Socket对象public Socket socket()// 建立远程连接,当处于非阻塞模式时,如果立即连接成功返回true,否则返回falsepublic boolean connect(SocketAddress remote) throws IOException// 判断底层Socket是否已经建立远程连接public boolean isConnected()// 判断是否正在进行远程连接,如果远程连接操作已经开始,但还没有完成,则返回true,否则返回false// 也就是说,无论底层Socket还没有开始连接,或者已经连接成功,该方法都会返回falsepublic boolean isConnectionPending()// 试图完成连接远程服务器的操作// 非阻塞模式下,建立连接从调用connect()方法开始,到调用finishConnect()方法结束// 如果在调用此方法之前连接已经建立,则立即返回true,否则立即返回false// 阻塞模式下,如果连接操作还没有完成,则会进入阻塞状态,直到连接完成，或者出现IO异常public boolean finishConnect) throws IOException// 从Channel读入若干字节,存放到参数指定的ByteBuffer// 假设ByteBuffer剩余容量为r,阻塞模式下,该方法会争取读到r字节// 如果输入流中不足r字节,就进入阻塞状态,直到读入了r字节,或者读到了输入流末尾,或者出现了IO异常// 非阻塞模式下,该方法奉行能读到多少数据就读多少数据的原则// 通道中的可读数据,有可能不足r字节,或者为0字节,总是立即返回// 该方法返回实际上读入的字节数,有可能为0,如果返回-1,表示读到了输入流的末尾public int read(ByteBuffer dst) throws IOException// 把参数src指定的ByteBuffer的字节写到Channel// 假设ByteBuffer剩余容量为r,阻塞模式下,该方法会争取输出r字节// 如果底层网络的输出缓冲区不能容纳r字节,就进入阻塞状态,直到输出了r字节,或者出现了IO异常// 非阻塞模式下,该方法奉行能输出多少数据就输出多少数据的原则,有可能不足r字节,或者为0字节,总是立即返回// 该方法返回实际上输出的字节,有可能为0public int write(ByteBuffer src) throws IOException

只要 ServerSockerChannel以及 SocketChannel向 Selector注册了特定的事件，Selector就会监控这些事件是否发生。SelectableChannel的 register()方法负责注册事件，该方法返回 SelectionKey对象，该对象是用于跟踪这些被注册事件的句柄

Selector对象中会包含三种类型的 SelectionKey的集合：

当执行 SelectableChannel的 registe()方法，会新建一个 SelectionKey并加入 Selector的 all-keys集合中。如果关闭了与 SelectionKey对象关联的 Channel对象，或者调用了 SelectionKey对象的 cancel()方法，那么这个 SelectionKey对象就会被加入 cancelled-keys集合，表示已经被取消，在程序下一次执行 Selector的 select()方法时，被取消的 SelectionKey对象将从所有的集合（包括 all-keys集合、selected-keys集合和 cancelled-keys集合）中被删除

在执行 Selector的 select()方法时，如果与 SelectionKey相关的事件发生了，这个 SelectionKey就被加入 selected-keys集合中。程序直接调用 selected-keys集合的 remove()方法，或者调用它的 Iterator的 remove()方法，都可以从 selected-keys集合中删除一个 SelectionKey对象

程序不允许直接通过集合接口的 remove()方法删除 all-keys集合中的 SelectionKey对象，这会导致 UnsupportedOperationException

Selector类的主要方法如下：

// Selector的静态工厂方法,创建一个Selector对象public static Selector open() throws IOException// 判断Selector是否处于打开状态,Selector对象创建后就处于打开状态,当调用close()方法就进入关闭状态public boolean isOpen()// 返回Seleclor的all-keys集合,包含了所有与Seclector关联的SelectionKey对象public Set keys()// 返回相关事件已经发生的SelectionKey对象的数目// 该方法采用非阻塞的工作方式,返回当前相关事件已经发生的SelectionKey对象的数目,如果没有,就立即返回0public int selectNow() throws IOException// 返回相关事件已经发生的SelectionKey对象的数目// 该方法采用阻塞的工作方式,如果一个也没有,就进入阻塞状态,直到出现以下情况之一,就会从select()返回:// 1.至少有一个SelectionKey的相关事件已经发生// 2.其他线程调用了Selector的wakeup()方法// 3.当前执行select()方法的线程被其他线程中断// 4.超出了等待时间public int select() throws IOExceptionpublic int select(long timeout) throws IOException// 唤醒执行Selector的select()方法 public Selector wakeup()// 关闭 Selector// 如果有其他线程正执行这个Selector的select()方法并且处于阻塞状态,这个线程会立即返回// close()方法使得Selector占用的所有资源都被释败,所有关联的SelectionKey都被取消public void close() throws IOException

SelectionKey中定义了四种事件，分别用四个 int 类型的常量来表示：

以上常量分别占据不同的二进制位，因此可以通过二进制的或运算来将它们进行任意组合

一个 SelectionKey对象中包含两种类型的事件：

所有感兴趣的事件：通过 SelectableChannel的 register()方法注册事件时，可以在参数中指定 SelectionKey感兴趣的事件

SelectionKey key = socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);

该代码表示这个 SelectionKey对读就绪和写就绪事件感兴趣，与之关联的 Selector对象会负责监控这些事件

SelectionKey的带参数的 interestOps(int ops)方法也可以为 SelectionKey对象增加一个感兴趣的事件，如下代码所示：

key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);

所有已经发生的事件：SeletionKey的 readyOps()方法返回所有已经发生的事件，例如假定返回值为 SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ，表示读就绪和写就绪事件已经发生了，这意味着与之关联的 SocketChannel对象可以进行读操作和写操作了

SelectionKey的主要方法如下：

// 返回与这个SelectionKey对象关联的SelectableChannel对象public SelectableChannel channel()// 返回与这个SelectionKey对象关联的Selector对象public Selector selector()// 判断这个SelectionKey是否有效// 当SelectionKey对象创建后,它就一直处于有效状态// 如果调用了它的cancel()方法,或关闭了与它关联的SelectableChannel或Selector对象,它就失效public boolean isValid()// 使SelectionKey对象失效public void cancel()// 返回这个SelectionKey感兴趣的事件public int interestOps()// 为SelectionKey增加感兴趣的事件public SelectionKey interestOps(int ops)// 返回已经就绪的事件public int readyOps()// 判斯与之关联的SocketChannel的读就绪事件是否已经发生public final boolean isReadable()// 判断与之关联的SocketChannel的写就绪事件是否已经发生public final boolean isWritable()// 判断与之关联的SocketChannel的连接就绪事件是否已经发生public final boolean isConnectable()// 判断与之关联的ServerSocketChannel的接收连接就绪事件是否已经发生public final boolean isAcceptable()// 使SelectionKey关联一个附件,一个SelectionKey对象只能关联一个Object类型的附件// 如果多次调用该方法,则只有最后一个附件与SelectionKey对象关联public final Object attach(Object obj)// 返回与SelectionKey对象关联的附件public final Object attachment()

Channels类是一个简单的工具类，提供了通道与传统的基于 IO 的流、Reader和 Writer之间进行转换的静态方法

ReadableByteChannel newChannel(InputStream in) // 输入流转换成读通道WritableByteChannel newChannel(OutputStream out) // 输出流转换成写通道InputStream newInputStream(AsynchronousByteChannel ch) // 异步通道转换成输入流InputStream newInputStream(ReadableByteChannel ch) // 读通道转换成输入流OutputStream newOutputStream(AsynchronousByteChannel ch) // 异步通道转换成输出流OutputStream newOutputStream(WritableByteChannel ch) // 写通道转换成输出流Reader newReader(ReadableByteChannel ch,String csName) // 读通道转换成Reader,参数csName指定字符编码Reader newReader(ReadableByteChannel ch,Charset charset)//读通道转换成Reader.参数charset指定字符编码Reader newReader(ReadableByteChannel ch,CharsetDecoder dec, int minBufferCap) // 读通道转换成 Reader,参数dec指定字符解码器,参数minBufferCap指定内部字节缓冲区的最小容量Writer newWriter(WritableByeChannel ch, String csName) // 写通道转换Writer.参数csName指定字符编码Writer newWriter(WritableByeChannel ch, Charset charset) // / 写通道转换Writer.参数charset指定字符编码Writer newWriter(WritableByeChannel ch, CharsetEncoder enc, int minBufferCap) // 写通道转换成Writer,参数dec指定字符解码器,参数minBufferCap指定内部字节缓冲区的最小容量

从 JDK7 开始，SocketChannel、ServerSocketChannel、AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel和 DatagramChannel都实现了新的 NetworkChannel接口。NetworkChannel接口的主要作用是设置和读取各种 Socket 选项

NetworkChannel接口提供了用于设置和读取这些选项的方法：

 T getOption(SocketOption name) // 获取特定的Socket选项值 NetworkChannel setOption(SocketOption name, T value) // 设置特定的Socket选项Set> supportedOptions() // 获取所有支持的Socket选项

SocketOptionl类是一个泛型类，SocketOption中的 T代表特定选项的取值类型，可选值包括 Integer、Boolean和 NetworkInterface

StandardSocketOptions类提供了以下表示特定选项的常量：

SocketOption  --  StandardSocketOptions.IP_MULTICAST_IFSocketOption  --  StandardSocketOptions.IP_MULTICAST_LOOPSocketOption  --  StandardSocketOptions.IP_MULTICAST_TTLSocketOption  --  StandardSocketOptions.IP_TOSSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_BROADCASTSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_KEEPALIVESocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_LINGERSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_RCVBUFSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_REUSEADDRSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_REUSEPORTSocketOption  --  StandardSocketOptions.SO_SNDBUFSocketOption  --  StandardSocketOptions.TCP_NODELAY