Java基础_NIO

NIO

1. 什么是NIO

IO回顾

• IO：Input OutPut（输入 输出）
• IO技术的作用：解决设备和设备之间的数据传输问题
• IO的应用场景：图片上传、下载、打印机打印信息表、解析XML...

1.1 概念

• 即 Java New IO
• 是1个全新的、 JDK 1.4 后提供的 IO API
• Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO ，另一套就是网络编程NIO

1.2 作用

• NIO 和IO 有相同的作用和目的，但实现方式不同
• 可替代 标准Java IO 的IO API
• IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。

1.3 流与块的比较

• NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式。
• IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。
• 面向流的IO一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节。
• 面向块的IO系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多
• （举例：拿水龙头来比喻：流就像水龙头滴水，每次只有一滴；块就像水龙头往水壶放水，放满之后对一整个水壶的水进行操作）

1.4 新特性

• 对比于 Java IO ， NIO 具备的新特性如下：

• 可简单认为：IO是面向流的处理，NIO是面向块(缓冲区)的处理
  • 面向流的I/O 系统一次一个字节地处理数据
  • 一个面向块(缓冲区)的I/O系统以块的形式处理数据

1.5 核心组件

• Java NIO 的核心组件 包括：
  • 通道（ Channel ）
  • 缓冲区（ Buffer ）
  • 选择器（ Selector ）
• 在NIO中并不是以流的方式来处理数据的，而是以buffer缓冲区和Channel管道配合使用来处理数据。
• Selector是因为NIO可以使用异步的非阻塞模式才加入的东西
  • 
• 简单理解一下：
• Channel管道比作成铁路，buffer缓冲区比作成火车(运载着货物)
  • 而我们的NIO就是通过Channel管道运输着存储数据的Buffer缓冲区的来实现数据的处理！
• 要时刻记住：Channel不与数据打交道，它只负责运输数据。与数据打交道的是Buffer缓冲区
  • Channel-->运输
  • Buffer-->数据
• 相对于传统IO而言，流是单向的。对于NIO而言，有了Channel管道这个概念，我们的读写都是双向的
• (铁路上的火车能从广州去北京、自然就能从北京返还到广州)！

2. Buffer缓冲区

2.1 Buffer缓冲区概述

• 作用：缓冲区，用来存放具体要被传输的数据，比如文件、scoket 等。这里将数据装入 Buffer 再通过通道进行传输。
• Buffer 就是一个数组，用来保存不同数据类型的数据
• 在 NIO 中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类 Buffer，最常用的就是 ByteBuffer，对于 Java 中的基本类型，基本都有一个具体 Buffer 类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示:
  • 
    • ByteBuffer：存储字节数据到缓冲区
    • ShortBuffer：存储字符串数据到缓冲区
    • CharBuffer： 存储字符数据到缓冲区
    • IntBuffer：存储整数数据到缓冲区
    • LongBuffer：存储长整型数据到缓冲区
    • DoubleBuffer：存储小数到缓冲区
    • FloatBuffer：存储小数到缓冲区
• 对于 Java 中的基本数据类型，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是ByteBuffer 类（二进制数据）

2.2 ByteBuffer的创建方式

• 代码演示
  • 在堆中创建缓冲区：allocate(int capacity)
  • 在系统内存创建缓冲区：allocateDirect(int capacity)
  • 通过普通数组创建缓冲区：wrap(byte[] arr)
  • 

2.3 常用方法

• 拿到一个缓冲区我们往往会做什么？很简单，就是读取缓冲区的数据/写数据到缓冲区中。
• 所以，缓冲区的核心方法就是:
  • put(byte b) : 给数组添加元素
  • get() :获取一个元素
  • 
• Buffer类维护了4个核心变量属性来提供关于其所包含的数组的信息。它们是：
  • 容量Capacity
    • 缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变。(不能被改变的原因也很简单，底层是数组嘛)
  • 界限Limit
    • 缓冲区中可以操作数据的大小，代表了当前缓冲区中一共有多少数据（从limit开始后面的位置不能操作）。
  • 位置Position
    • 下一个要被读或写的元素的位置。Position会自动由相应的 get( ) 和 put( ) 函数更新。
    • 
  • 标记Mark
    • 一个备忘位置。用于记录上一次读写的位置。

2.4 buffer代码演示

• 首先展示一下是创建缓冲区后，核心变量的值是怎么变化的

• 运行结果：

• 现在我想要从缓存区拿数据，怎么拿呀？？NIO给了我们一个flip() 方法。这个方法可以改动
• position和limit的位置！
• 还是上面的代码，我们flip() 一下后，再看看4个核心属性的值会发生什么变化：
  • 
• 很明显的是：
  • limit变成了position的位置了
  • 而position变成了0
• 看到这里的同学可能就会想到了：当调用完filp() 时：limit是限制读到哪里，而position是从哪里读一般我们称filp() 为“切换成读模式”
• 每当要从缓存区的时候读取数据时，就调用filp() “切换成读模式”。
  • 

     

     

  • 切换成读模式之后，我们就可以读取缓冲区的数据了：

• • 随后输出一下核心变量的值看看：
    • 

       

       

  • 读完我们还想写数据到缓冲区，那就使用clear() 函数，这个函数会“清空”缓冲区：
    • 数据没有真正被清空，只是被遗忘掉了
    • 

       

       

3.Channel通道

3.1 Channel通道概述

• 通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义 的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。
• Channel 类似于传统的“流”。
• 标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）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（白话: 就是数据传输用的通道，作用是打开到IO设备的连接，文件、套接字都行）
• 例：相当于一根管子，buffer中的数据可以通过管子写入被操作的资源当中，也可以将资源通过管子写入到buffer中去

3.2 Channel API

• Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下：
  • 

     

     

  • FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
  • DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
  • SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来 的连接都会创建一个SocketChannel。

3.3 FileChannel基本使用

• 使用FileChannel完成文件的复制:
  • 

3.4 网络编程收发信息

• 客户端
  • 
• 服务器端　　　
  • 

3.5 accept阻塞问题

• 服务器端
  • 

 

 

• • 

 

4.Selector选择器

3.1 多路复用的概念

• 一个选择器可以同时监听多个服务器端口, 帮多个服务器端口同时等待客户端的访问

3.2 Selector的和Channel的关系

• Channel和Buffer比较好理解 ，联系也比较密切，他们的关系简单来说就是：数据总是从通道中读到buffer缓冲区内，或者从buffer写入到通道中。
• 选择器和他们的关系又是什么？
  • 选择器（Selector） 是 Channel（通道）的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 通道的 IO（输入输出） 状况。
• Selector的作用是什么？
  • 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。

3.3 可选择通道(SelectableChannel)

• 注意：并不是所有的Channel，都是可以被Selector 复用的。比方说，FileChannel就不能被选择器复用。为什么呢？
• 判断一个Channel 能被Selector 复用，有一个前提：判断他是否继承了一个抽象类SelectableChannel。如果继承了SelectableChannel，则可以被复用，否则不能。
• SelectableChannel 的结构如下图：
  • 
  • SelectableChannel类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法
• 通道和选择器注册之后，他们是绑定的关系吗？
  • 答:不是。不是一对一的关系。一个通道可以被注册到多个选择器上，但对每个选择器而言只能被注册一次。
• 通道和选择器之间的关系，使用注册的方式完成。SelectableChannel可以被注册到Selector对象上，在注册的时候，需要指定通道的哪些操作，是Selector感兴趣的。
• 

   

   

3.4 Channel注册到Selector

• 使用Channel.register（Selector sel，int ops）方法，将一个通道注册到一个选择器时。
  • 第一个参数：指定通道要注册的选择器是谁
  • 第二个参数：指定选择器需要查询的通道操作
• 可以供选择器查询的通道操作，从类型来分，包括以下四种：
  • （1）可读 : SelectionKey.OP_READ
  • （2）可写 : SelectionKey.OP_WRITE
  • （3）连接 : SelectionKey.OP_CONNECT
  • （4）接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT
• 如果Selector对通道的多操作类型感兴趣，可以用“位或”操作符来实现：int key =SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ;

3.5 选择键(SelectionKey)

• Channel和Selector的关系确定好后，并且一旦通道处于某种就绪的状态，就可以被选择器查询到。这个工作，使用选择器Selector的select（）方法完成。select方法的作用，对感兴趣的通道操作，进行就绪状态的查询。
• Selector可以不断的查询Channel中发生的操作的就绪状态。并且挑选感兴趣的操作就绪状态。一旦通道有操作的就绪状态达成，并且是Selector感兴趣的操作，就会被Selector选中，放入选择键集合中。
• 

3.6 Selector的使用流程

3.6.1 创建Selector

• Selector对象是通过调用静态工厂方法open()来实例化的，如下：
  •  

3.6.2 将Channel注册到Selector

• 要实现Selector管理Channel，需要将channel注册到相应的Selector上，如下：
  • 
• 上面通过调用通道的register()方法会将它注册到一个选择器上。
• 首先需要注意的是：
• 与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下，否则将抛出异常IllegalBlockingModeException

3.6.3 轮询查询就绪操作

• 万事俱备，下一步是查询就绪的操作。
• 通过Selector的 select() 方法，可以查询出已经就绪的通道操作，这些就绪的状态集合，包存在一个元素是SelectionKey对象的Set集合中。
• select()方法返回的int值，表示有多少通道已经就绪
• 而一旦调用select()方法，并且返回值不为0时，下一步工干啥？
• 通过调用Selector的selectedKeys()方法来访问已选择键集合，然后迭代集合的每一个选择键元素，根据就绪操作的类型，完成对应的操作：

3.6.4 NIO 编程实例

• 客户端
  • 
• 服务端
  • 
  • 

 

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