NIO

2019-08-15 | 阅读：次

概念

java.nio全称Java non-blocking IO或Java New IO，是从jdk1.4 开始引入的一套新的IO api（New IO），为所有的原始类型（boolean类型除外）提供缓存支持的数据容器，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

IO操作的模式:

PIO（Programing IO）: 所有的IO操作由CPU处理，CPU占用率比较高。

DMA(Direct Memory Access):CPU把IO操作控制权交给DMA控制器，只能以固定的方式读写，CPU空闲做其他工作。

通道方式(Channel)：能执行有限通道指令的IO控制器，代替CPU管理控制外设。通道有自己的指令系统，是一个协处理器，具有更强的独立处理数据输入和输出的能力。

Java NIO 由以下几个核心部分组成:

Buffer:缓冲区

Channel:通道

Selector:选择器

NIO和普通IO的区别

IO区别

Buffer的使用

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Java NIO里关键的Buffer实现(七种):

ByteBuffer

CharBuffer

DoubleBuffer

FloatBuffer

IntBuffer

LongBuffer

ShortBuffer

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

创建缓冲区，写入数据到Buffer

调flip()方法,切换读模式

从Buffer中读取数据

调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区:调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区,其实就是把position指向第一个位置，数据还是存在的，当再次写入时会覆盖之前的数据。compact()方法只会清除已经读过的数据。但是任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

案例一:使用ByteBuffer

public static void main(String[] args) {
  //1创建缓冲区
  ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
  //2向缓冲区中添加内容
  buffer.put("helloworld".getBytes());
  //3切换为读模式
  buffer.flip();
  //4获取单个字节
  //buffer.get();
  //5获取多个字节
  //limit()方法是缓存区存入数据的最后一个位置
  byte[] data=new byte[buffer.limit()];
  buffer.get(data);
  System.out.println(new String(data));
  //6清空缓冲区
  buffer.clear();
}

Buffer的capacity，position和limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

Capacity

position

limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity.

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配1024字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//创建间接缓冲区，大小为1024个字节

ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocateDirect(1024);//直接缓冲区

直接缓冲区和间接缓冲区的区别:

间接缓冲区:在堆中开辟，易于管理，垃圾回收器可以回收，空间有限，读写文件速度较慢。

直接缓冲区:不在堆中，物理内存中开辟空间，空间比较大，读写文件速度快，缺点：不受垃圾回收器控制，创建和销毁耗性能。

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式:

从Channel写到Buffer。

通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

换句话说，position现在用于标记读的位置，limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式:

从Buffer读取数据到Channel。

使用get()方法从Buffer中读取数据。

get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）.

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如：

buffer.mark(); //添加标记(只可标记一次)

buffer.reset();//恢复到标记位置

Channel

基本上，所有的IO在NIO中都从一个Channel开始。Channel有点象流。数据可以Channel读到Buffer中，也可以从Buffer写到Channel中。这里有个图示：

Channel

JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

FileChannel

DatagramChannel

SocketChannel

ServerSocketChannel

FileChannel基本使用

Java NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。

FileChannel无法设置为非阻塞模式，它总是运行在阻塞模式下。

创建FileChannel

在使用FileChannel之前，必须先创建它。创建方式有两种：

第一种：使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。

第二种：JDK1.7之后才能使用, FileChannel.open()方法。

//第一种
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
//第二种
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\\aaa.txt"),StandardOpenOption.READ);

从FileChannel读取数据

调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。

然后，调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1，表示到了文件末尾。

向FileChannel写数据

使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据，该方法的参数是一个Buffer。如：
String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
while(buf.hasRemaining()) {
 channel.write(buf);
}
注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写完所有字节，因此需要重复调用write()方法，直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。

关闭FileChannel

用完FileChannel后必须将其关闭。如：

channel.close();

FileChannel操作案例

写入文本文件

//1创建FileOutputStream
FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\\out.txt");
//2获取通道
FileChannel outChannel = fos.getChannel();
//3创建缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
//4向缓冲区中放入数据
buffer.put("hello world".getBytes());
//5切换为读模式
buffer.flip();
//写入
outChannel.write(buffer);
//6关闭
outChannel.close();
System.out.println("写入完毕");

读取文本文件

//1创建FileInputStream
FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\\out.txt");
//2创建通道
FileChannel inChannel = fis.getChannel();
//3创建缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
int len=inChannel.read(buffer);
System.out.println(len);
//4处理数据
buffer.flip();
String data=new String(buffer.array(),0,len);
System.out.println(data);
//5关闭
inChannel.close();

复制图片

直接缓冲区的使用,可以提高读写的速度。但是直接缓冲区的创建和销毁的开销比较大，一般大文件操作或能显著提高读写性能时使用。

//1创建通道
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\\003.jpg"),StandardOpenOption.READ);
FileChannel outChannel=FileChannel.open(Paths.get("d:\\haha.jpg"),StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
//2创建直接缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
int len=0;
//3复制
while((len=inChannel.read(buffer))>0){
  buffer.flip();
  outChannel.write(buffer);
  buffer.clear();
}
//4关闭
inChannel.close();
outChannel.close();
System.out.println("复制完毕");

使用内存映射文件复制大文件

内存映射文件也属于直接缓冲区

//1创建通道
FileChannel inChannel = new RandomAccessFile("d:\\01.wav", "r").getChannel();
FileChannel outChannel=new RandomAccessFile("d:\\02.wav", "rw").getChannel();
//2使用内存映射缓冲区（直接缓冲区）
MappedByteBuffer map = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0,inChannel.size());
outChannel.write(map);
//3关闭
inChannel.close();
outChannel.close();
System.out.println("复制完毕");

注意:如果文件超过2G,需要分多个文件映射。

代码如下(把七百多兆的视频分三次传输):

MappedByteBuffer map1 = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0,1024*1024*300);
MappedByteBuffer map2 = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,1024*1024*300,1024*1024*300);
MappedByteBuffer map3 = readChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,1024*1024*600,readChannel.size()-(1024*1024*600));

Selector和非阻塞网络编程

传统的网络编程

TCP: ServerSocket Socket (阻塞式)

UDP: DatagramSocket DatagramPacket

ServerSocketChannel、SocketChannel实现阻塞式网络编程

ServerSocketChannel是一个基于通道的socket监听器,等同于ServerSocket类。SocketChannel是一个基于通道的客户端套接字,等同于Socket类。

服务端

public class TcpServer {
  public static void main(String[] args) throws Exception{
      //1创建ServerSocketChannel
      ServerSocketChannel ssc=ServerSocketChannel.open();
      //2绑定地址
      ssc.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 1234));
      //3监听
      System.out.println("服务器已启动");
      SocketChannel sc=ssc.accept();
      //4创建缓冲区
      ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
      int len=sc.read(buffer);
      buffer.flip();
      System.out.println(buffer.array().length);
      String string=new String(buffer.array(),0, len);
      System.out.println(string);
      //5关闭
      sc.close();
  }
}

客户端

public class TcpClient {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
      //1创建SocketChannel
      SocketChannel sc=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 1234));
      //2创建缓冲区
      String string="你还好吗?";
      ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
      buffer.put(string.getBytes());
      buffer.flip();
      //3发送数据
      sc.write(buffer);
      //4关闭
      sc.close();
  }
}

Selector简介

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等

选择器提供选择执行已经就绪的任务的能力.从底层来看，Selector提供了询问通道是否已经准备好执行每个I/O操作的能力。Selector 允许单线程处理多个Channel。仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道，这样会大量的减少线程之间上下文切换的开销。

Selector

选择器（Selector):

Selector选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。通道是和选择器一起被注册的，并且使用选择器来更新通道的就绪状态。

可选择通道(SelectableChannel):

SelectableChannel这个抽象类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。它是所有支持就绪检查的通道类的父类。因为FileChannel类没有继承SelectableChannel因此是不是可选通道，而所有socket通道都是可选择的，SocketChannel和ServerSocketChannel是SelectableChannel的子类。

选择键(SelectionKey):

选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系。选择键对象被SelectableChannel.register()返回并提供一个表示这种注册关系的标记。

选择键包含了两个比特集(以整数的形式进行编码)，选择键支持四种操作类型:

Connect 连接

Accept 接受请求

Read 读

Write 写

Java中定义了四个常量来表示这四种操作类型:

SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户与服务器的连接已经建立成功

SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接进行事件，表示服务器监听到了客户连接，那么服务器可以接收这个连接了

SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）

SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）

实现非阻塞式网络通信

服务端

public class Server {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
      //1创建ServerSocketChannel
      ServerSocketChannel ssc=ServerSocketChannel.open();
      //2设置为非阻塞式
      ssc.configureBlocking(false);
      //3绑定地址
      ssc.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
      //4创建选择器
      Selector selector=Selector.open();
      //5注册选择器
      ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
      while(selector.select()>0){
          Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
          while(it.hasNext()){
              SelectionKey selectionKey = it.next();
              if(selectionKey.isAcceptable()){
                  SocketChannel socketChannel=ssc.accept();
                  socketChannel.configureBlocking(false);
                  socketChannel.register(selector, selectionKey.OP_READ);
              }else if(selectionKey.isReadable()){
                  //获取SocketChannel
                  SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                  //创建缓冲区
                  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                  int len = 0;
                  while((len = channel.read(buffer)) > 0 ){
                      buffer.flip();
                      System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
                      buffer.clear();
                  }
              	  if(len==-1){//客户端已经退出
                       channel.close();
                   }
              }
              it.remove();
          }
      }
  }
}

客户端

public class Client {
  public static void main(String[] args) throws Exception{
      //1创建SocketChannel
      SocketChannel sc=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
      //2设置为非阻塞式
      sc.configureBlocking(false);
      //3创建缓冲区
      ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
      Scanner input=new Scanner(System.in);
      while(input.hasNext()){
          String s=input.nextLine();
          buffer.put(s.getBytes());
          buffer.flip();
          sc.write(buffer);
          buffer.clear();
       	 if(s.equals("886")){
              break;
          }
      }
      //4关闭
      sc.close();
  }
}

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