Java NIO
概述
NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。
NIO和传统IO之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用read() 或 write()时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。
Channel
Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream.而Channel是双向的,既可以用来进行读操作,又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有:
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
分别可以对应文件IO、UDP和TCP(Server和Client)。
Buffer
NIO中的关键Buffer实现有:ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer,分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer。
Selector
Selector运行单线程处理多个Channel,如果你的应用打开了多个通道,但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器Server端,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,如新的连接进来、数据接收等。
FileChannel
通过传统IO以及更改后的NIO来做对比
采用FileInputStream读取文件内容:
public static void method2(){ InputStream in = null; try{ in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt")); byte [] buf = new byte[1024]; int bytesRead = in.read(buf); while(bytesRead != -1) { for(int i=0;i<bytesRead;i++) System.out.print((char)buf[i]); bytesRead = in.read(buf); } }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }finally{ try{ if(in != null){ in.close(); } }catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } } }
对应的NIO(这里通过RandomAccessFile进行操作,当然也可以通过FileInputStream.getChannel()进行操作)
public static void method1(){ RandomAccessFile aFile = null; try{ aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw"); FileChannel fileChannel = aFile.getChannel(); ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); int bytesRead = fileChannel.read(buf); System.out.println(bytesRead); while(bytesRead != -1){ buf.flip(); while(buf.hasRemaining()){ System.out.print((char)buf.get()); } buf.compact(); bytesRead = fileChannel.read(buf); } }catch (IOException e){ e.printStackTrace(); }finally{ try{ if(aFile != null){ aFile.close(); } }catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } } }
从FileChannel的使用中,总结Buffer的使用:
- 分配空间 (ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); )
- 写入数据到Buffer (int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
- 调用filp()方法 ( buf.flip();)
- 从Buffer中读取数据 (System.out.print((char)buf.get());)
- 调用clear()方法或者compact()方法
Buffer顾名思义:缓冲区,实际上是一个容器,一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道,但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图:
Channel --> Buffer (向Buffer中写数据):
- 从Channel写到Buffer fileChannel.read(buf)
- 通过Buffer的put()方法 buf.put(…)
Buffer --> Channel (从Buffer中读取数据):
- 从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))
- 使用get()方法从Buffer中读取数据 (buf.get())
可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表,它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态:capacity, position, limit, mark:
- capacity 缓冲区数组的总长度
- position 下一个要操作的数据元素的位置
- limit 缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置:limit<=capacity
- mark 用于记录当前position的前一个位置或者默认是0
通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建一个11个byte的数组的缓冲区,初始状态如上图,position的位置为0,capacity和limit默认都是数组长度。写入5个字节时,变化如下图:
这时我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道,所以我们调用ByteBuffer.flip()方法,变化如下图所示(position设回0,并将limit设成之前的position的值):
这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前我们再调用clear()方法,缓冲区的索引位置又回到了初始位置。
调用clear()方法:position将被设回0,limit设置成capacity,换句话说,Buffer被清空了,其实Buffer中的数据并未被清楚,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。
通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定的position,之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将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。
SocketChannel