java NIO介绍

前言

　　我们在写java程序的时候，为了进行优化，把全部的精力用在了处理效率上，但是对IO的关注却很少。这也可能是由以前java早期时JVM在解释字节码时速度慢，运行速率大大低于本地编译代码，因此以前往往忽视了IO的优化。

　　但是现在JVM在运行时优化已前进了一大步，现在的java应用程序更多的是受IO的束缚，也就是将时间花在等待数据传输上。现在有了NIO，就可以减少IO的等待时间，从而提升IO的效率。

JVM利弊

　　JVM 是把双刃剑。它提供了统一的操作环境,让 Java 程序员不用再为操作系统环境的区别而烦恼。与特定平台相关的细枝末节大都被隐藏了起来,因而代码写得又快又容易。但是隐藏操作系统的技术细节也意味着某些个性鲜明、功能强大的特性被挡在了门外。

　　怎么办呢?如果您是程序员,可以使用 Java 本地接口(JNI)编写本地代码,直接使用操作系统特性。这样的话，不同的操作系统的局限性就体现出来了。为了解决这一问题,java.nio 软件包提供了新的抽象。具体地说,就是 Channel 和 Selector类。它们提供了使用 I/O 服务的通用 API,JDK 1.4 以前的版本是无法使用这些服务的。天下还是没有免费的午餐:您无法使用每一种操作系统的每一种特性,但是这些新类还是提供了强大的新框架,涵盖了当今商业操作系统普遍提供的高效 I/O 特性。不仅如此,java.nio.channels.spi还提供了新的服务提供接口(SPI),允许接入新型通道和选择器,同时又不违反规范的一致性。

　　随着 NIO 的面世,Java 已经为严肃的商业、娱乐、科研和学术应用做好了准备。在这些领域,高性能 I/O 是必不可少的。

NIO原理

　NIO与IO的区别

　　首先来讲一下传统的IO和NIO的区别，传统的IO又称BIO (blocking IO)，即阻塞式IO，NIO (no-blocking IO)就是非阻塞IO了。还有一种AIO (Asynchronous I/O)就是异步IO，这里不加阐述了。

　　Java 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。

　　Java 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）。

　　Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区(Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之， Channel 负责传输， Buffer 负责存储。

　缓冲区（Buffer）

　　一个Buffer对象是固定数量的数据的容器。其作用是一个存储器,或者分段运输区,在这里数据可被存储并在之后用于检索。尽管缓冲区作用于它们存储的原始数据类型,但缓冲区十分倾向于处理字节。非字节缓冲区可以在后台执行从字节或到字节的转换,这取决于缓冲区是如何创建的。

　　缓冲区的工作与通道紧密联系。通道是 I/O 传输发生时通过的入口,而缓冲区是这些数据传输的来源或目标。对于离开缓冲区的传输,您想传递出去的数据被置于一个缓冲区,被传送到通道。对于传回缓冲区的传输,一个通道将数据放置在您所提供的缓冲区中。这种在协同对象(通常是您所写的对象以及一到多个 Channel 对象)之间进行的缓冲区数据传递是高效数据处理的关键。　　

　　缓冲区对象本质上是一个数组，但它其实是一个特殊的数组，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况，如果我们使用get()方法从缓冲区获取数据或者使用put()方法把数据写入缓冲区，都会引起缓冲区状态的变化。它可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同(boolean 除外) ，有以下 Buffer 常用子类：

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

　　如你所见，这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说，就是可以通过char，short，int，long，float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

　　在缓冲区中，最重要的属性有下面三个，它们一起合作完成对缓冲区内部状态的变化跟踪：

　　position：指定了下一个将要被写入或者读取的元素索引，它的值由get()/put()方法自动更新，在新创建一个Buffer对象时，position被初始化为0。

　　limit：指定还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。

　　capacity：指定了可以存储在缓冲区中的最大数据容量，实际上，它指定了底层数组的大小，或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。

另外：

　　标记 (mark)与重置 (reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position.

　　以上四个属性值之间有一些相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity。如果我们创建一个新的容量大小为10的ByteBuffer对象，在初始化的时候，position设置为0，limit和 capacity被设置为10，在以后使用ByteBuffer对象过程中，capacity的值不会再发生变化，而其它两个个将会随着使用而变化。四个属性值分别如图所示：

　　现在我们可以从通道中读取一些数据到缓冲区中，注意从通道读取数据，相当于往缓冲区中写入数据。如果读取4个自己的数据，则此时position的值为4，即下一个将要被写入的字节索引为4，而limit仍然是10，如下图所示：

　　下一步把读取的数据写入到输出通道中，相当于从缓冲区中读取数据，在此之前，必须调用flip()方法，该方法将会完成两件事情：

1. 把limit设置为当前的position值
2. 把position设置为0

　　由于position被设置为0，所以可以保证在下一步输出时读取到的是缓冲区中的第一个字节，而limit被设置为当前的position，可以保证读取的数据正好是之前写入到缓冲区中的数据，如下图所示：

　　现在调用get()方法从缓冲区中读取数据写入到输出通道，这会导致position的增加而limit保持不变，但position不会超过limit的值，所以在读取我们之前写入到缓冲区中的4个自己之后，position和limit的值都为4，如下图所示：

　　在从缓冲区中读取数据完毕后，limit的值仍然保持在我们调用flip()方法时的值，调用clear()方法能够把所有的状态变化设置为初始化时的值，如下图所示

Buffer 的常用方法：

方法	描述
Buffer clear()	清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip()	将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置充值为 0
int capacity()	返回 Buffer 的 capacity 大小
boolean hasRemaining()	判断缓冲区中是否还有元素
int limit()	返回 Buffer 的界限(limit) 的位置
Buffer limit(int n)	将设置缓冲区界限为 n, 并返回一个具有新 limit 的缓冲区对象
Buffer mark()	对缓冲区设置标记
int position()	返回缓冲区的当前位置 position
Buffer position(int n)	将设置缓冲区的当前位置为 n , 并返回修改后的 Buffer 对象
int remaining()	返回 position 和 limit 之间的元素个数
Buffer reset()	将位置 position 转到以前设置的 mark 所在的位置
Buffer rewind()	将位置设为为 0，取消设置的 mark

缓冲区的数据操作：
　Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法： get()与 put() 方法
　　获取 Buffer 中的数据
　　　　get() ：读取单个字节
　　　　get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
　　　　get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)
　　放入数据到 Buffer 中
　　　　put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
　　　　put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
　　　　put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)

　来一个例子：实现一个简单的NIO编程，读取文件夹内的文件，然后输出到控制台

public static  void testNio(){
        try {
            RandomAccessFile rdf=new RandomAccessFile("E:\\nio\\niotest.txt","rw");
            //利用channel中的FileChannel来实现文件的读取
            FileChannel inChannel=  rdf.getChannel(); 
            //设置缓冲区容量为10
            ByteBuffer buf=  ByteBuffer.allocate(10);
            //从通道中读取数据到缓冲区，返回读取的字节数量
            int byteRead=inChannel.read(buf);
            //数量为-1表示读取完毕。
            while (byteRead!=-1){
                //切换模式为读模式，其实就是把postion位置设置为0，可以从0开始读取
                buf.flip();
                //如果缓冲区还有数据
                while (buf.hasRemaining()){
                    //输出一个字符
                    System.out.print((char) buf.get());
                }
                //数据读完后清空缓冲区
                buf.clear();
                //继续把通道内剩余数据写入缓冲区
                byteRead = inChannel.read(buf);
            }
            //关闭通道
            rdf.close();
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

　　我在磁盘中niotest.txt的内容是hello world,我们看看运行结果是不是hello world。

直接与非直接缓冲区
　　字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则 Java 虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机 I/O 操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机 I/O 操作之前（或之后），虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中（或从中间缓冲区中复制内容）。

　　直接字节缓冲区可以通过调用此类的 allocateDirect() 工厂方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以，建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的本机 I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好处时分配它们。直接字节缓冲区还可以通过 FileChannel 的 map() 方法将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回MappedByteBuffer 。 Java 平台的实现有助于通过 JNI 从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。

　　字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。提供此方法是为了能够在性能关键型代码中执行显式缓冲区管理。

非直接缓冲区

直接缓冲区

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48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

　这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中写数据

　写数据到Buffer有两种方式：

　　　1. 从Channel写到Buffer。

　　　2. 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

　从Channel写到Buffer的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

　通过put方法写Buffer的例子：

buf.put(127);

　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。

　从Buffer读取数据到Channel的例子：

//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

　使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();

　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。

　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。

下面是一个使用Buffer的例子：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {
    buf.flip();  //make buffer ready for read
    while(buf.hasRemaining()){
        System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
    }
    buf.clear(); //make buffer ready for writing
    bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

通道Channel　

　Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比还有一些不同：

Channel是双向的，既可以读又可以写，而流是单向的
Channel可以进行异步的读写
对Channel的读写必须通过buffer对象

　　正如上面提到的，所有数据都通过Buffer对象处理，所以，您永远不会将字节直接写入到Channel中，相反，您是将数据写入到Buffer中；同样，您也不会从Channel中读取字节，而是将数据从Channel读入Buffer，再从Buffer获取这个字节。

　　因为Channel是双向的，所以Channel可以比流更好地反映出底层操作系统的真实情况。特别是在Unix模型中，底层操作系统通常都是双向的。

　在Java NIO中Channel主要有如下几种类型：

FileChannel：从文件中读写数据。
DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据。
SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据
ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

　基本的 Channel 示例

　　面是一个使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf);
while (bytesRead != -1) {
    System.out.println("Read " + bytesRead);
    buf.flip();
    while(buf.hasRemaining()){
        System.out.print((char) buf.get());
    }

    buf.clear();
    bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

　注意 buf.flip() 的调用，首先读取数据到Buffer，然后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据。

Selector　　

　　Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

　　这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

　　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。

　　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。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

　　但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。

　Selector的创建

　通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：

Selector selector = Selector.open();

　向Selector注册通道

　为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);

　　与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

　Scatter/Gather　

　　Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文经常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操作。
　　分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。
　　聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

　　scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

　Scattering Reads
　　Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述：

代码示例如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);


ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

　　注意buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。

　　Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

　　选择器提供选择执行已经就绪的任务的能力，这使得多元I/O成为可能，就绪选择和多元执行使得单线程能够有效率的同时管理多个I/O通道（channels），简单言之就是selector充当一个监视者，您需要将之前创建的一个或多个可选择的通道注册到选择器对象中。一个表示通道和选择器的键将会被返回。选择键会记住您关心的通道。它们也会追踪对应的通道是否已经就绪当您调用一个选择器对象的 select( )方法时,相关的键会被更新,用来检查所有被注册到该选择器的通道。您可以获取一个键的集合,从而找到当时已经就绪的通道。通过遍历这些键,您可以选择出每个从上次您调用 select( )开始直到现在,已经就绪的通道。

　传统的socket监控

　　传统的监控多个 socket 的 Java 解决方案是为每个 socket 创建一个线程并使得线程可以在 read( )调用中阻塞,直到数据可用。这事实上将每个被阻塞的线程当作了 socket 监控器,并将 Java 虚拟机的线程调度当作了通知机制。这两者本来都不是为了这种目的而设计的。程序员和 Java 虚拟机都为管理所有这些线程的复杂性和性能损耗付出了代价,这在线程数量的增长时表现得更为突出。

　选择器属性

　　选择器（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。当这么做的时候,可以选择将被激发的线程挂起,直到有就绪的的通道。

　　可选择通道(SelectableChannel): SelectableChannel 可以被注册到 Selector 对象上,同时可以指定对那个选择器而言,那种操作是感兴趣的。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。
　　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),指示了该注册关系所关心的通道操作,以及通道已经准备好的操作。

　下图体现了就绪选择注册和Selector的关系

Selector

　　一个单独的通道对象可以被注册到多个选择器上。可以调用 isRegistered( )方法来检查一个通道是否被注册到任何一个选择器上。这个方法没有提供关于通道被注册到哪个选择器上的信息,而只能知道它至少被注册到了一个选择器上。此外,在一个键被取消之后,直到通道被注销为止,可能有时间上的延迟。这个方法只是一个提示,而不是确切的答案。

键对象

　　键对象表示了一种特定的注册关系。当应该终结这种关系的时候,可以调用 SelectionKey对象的 cancel( )方法。可以通过调用 isValid( )方法来检查它是否仍然表示一种有效的关系。当键被取消时,它将被放在相关的选择器的已取消的键的集合里。注册不会立即被取消,但键会立即失效。当再次调用 select( )方法时(或者一个正在进行的 select()调用结束时),已取消的键的集合中的被取消的键将被清理掉,并且相应的注销也将完成。通道会被注销,而新的SelectionKey 将被返回。

　　SelectionKey 类定义了四个便于使用的布尔方法来为您测试这些比特值:isReadable( ),isWritable( ),isConnectable( ), 和 isAcceptable( )。每一个方法都与使用特定掩码来测试 readyOps( )方法的结果的效果相同。例如：

if (key.isWritable( ))
等价于:
if ((key.readyOps( ) & SelectionKey.OP_WRITE) != 0)

　　这四个方法在任意一个 SelectionKey 对象上都能安全地调用。不能在一个通道上注册一个它不支持的操作,这种操作也永远不会出现在 ready 集合中。调用一个不支持的操作将总是返回 false,因为这种操作在该通道上永远不会准备好。

停止选择过程

有三种方式可以唤醒在select（）方法中睡眠的线程。

　　调用wakeup（）: 调用 Selector 对象的 wakeup( )方法将使得选择器上的第一个还没有返回的选择操作立即返回。如果当前没有在进行中的选择,那么下一次对 select( )方法的一种形式的调用将立即返回。后续的选择操作将正常进行。在选择操作之间多次调用 wakeup( )方法与调用它一次没有什么不同。有时这种延迟的唤醒行为并不是您想要的。您可能只想唤醒一个睡眠中的线程,而使得后续的选择继续正常地进行。您可以通过在调用 wakeup( )方法后调用 selectNow( )方法来绕过这个问题。尽管如此,如果您将您的代码构造为合理地关注于返回值和执行选择集合,那么即使下一个 select( )方法的调用在没有通道就绪时就立即返回,也应该不会有什么不同。不管怎么说,您应该为可能发生的事件做好准备。

　　调用 close( ): 如果选择器的 close( )方法被调用,那么任何一个在选择操作中阻塞的线程都将被唤醒,就像wakeup( )方法被调用了一样。与选择器相关的通道将被注销,而键将被取消。
　　调用 interrupt( ): 如果睡眠中的线程的 interrupt( )方法被调用,它的返回状态将被设置。如果被唤醒的线程之后将试图在通道上执行 I/O 操作,通道将立即关闭,然后线程将捕捉到一个异常。这是由于在第三章中已经探讨过的通道的中断语义。使用 wakeup( )方法将会优雅地将一个在 select( )方法中睡眠的线程唤醒。如果您想让一个睡眠的线程在直接中断之后继续执行,需要执行一些步骤来清理中断状态

Gathering Writes

　　Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：

代码示例如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

//write data into buffers
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.write(bufferArray);

　　buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。

下面分别介绍几个关键类：

FileChannel

　　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。　

　打开FileChannel

　　在使用FileChannel之前，必须先打开它。但是，我们无法直接打开一个FileChannel，需要通过使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

　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写入多少字节，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的position方法

　　有时可能需要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操作。可以通过调用position()方法获取FileChannel的当前位置。

　　也可以通过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。

这里有两个例子:

long pos = channel.position();
channel.position(pos +123);

　　如果将位置设置在文件结束符之后，然后试图从文件通道中读取数据，读方法将返回-1 —— 文件结束标志。

　　如果将位置设置在文件结束符之后，然后向通道中写数据，文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能导致“文件空洞”，磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。

　FileChannel的size方法

　　FileChannel实例的size()方法将返回该实例所关联文件的大小。如:

long fileSize = channel.size();

　FileChannel的truncate方法

　　可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时，文件将中指定长度后面的部分将被删除。如：

channel.truncate(1024);

　　这个例子截取文件的前1024个字节。

　FileChannel的force方法

　　FileChannel.force()方法将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。出于性能方面的考虑，操作系统会将数据缓存在内存中，所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点，需要调用force()方法。

　　force()方法有一个boolean类型的参数，指明是否同时将文件元数据（权限信息等）写到磁盘上。

　　下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上：

channel.force(true);

SocketChannel

　　Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel：

1. 打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
2. 一个新连接到达ServerSocketChannel时，会创建一个SocketChannel。

　打开 SocketChannel

　　下面是SocketChannel的打开方式：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));

　关闭 SocketChannel

　　当用完SocketChannel之后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel：

socketChannel.close();

　从 SocketChannel 读取数据

　　要从SocketChannel中读取数据，调用一个read()的方法之一。以下是例子：

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

　　首先，分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。

　　然后，调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1，表示已经读到了流的末尾（连接关闭了）。

　写入 SocketChannel

　　写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法，该方法以一个Buffer作为参数。示例如下：

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SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

　非阻塞模式

　　可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）.设置之后，就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

　connect()

　　如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()的方法。像这样：

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
while(! socketChannel.finishConnect() ){
     //wait, or do something else...
}

　write()

　　非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。前面已经有例子了，这里就不赘述了。

　read()

　　非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。

　非阻塞模式与选择器

　　非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好，通过将一或多个SocketChannel注册到Selector，可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取，写入等。

ServerSocketChannel

　　Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道, 就像标准IO中的ServerSocket一样。ServerSocketChannel类在 java.nio.channels包中。

　　这里有个例子：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

　打开 ServerSocketChannel

　　通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

　关闭 ServerSocketChannel

　　通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如：

serverSocketChannel.close();

　监听新进来的连接

　　通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

　　通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

　　当然,也可以在while循环中使用除了true以外的其它退出准则。

　非阻塞模式

　　ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    if(socketChannel != null){
        //do something with socketChannel...
    }
}    

DatagramChannel　　　

　　Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

　打开 DatagramChannel

　　下面是 DatagramChannel 的打开方式：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

　　这个例子打开的 DatagramChannel可以在UDP端口9999上接收数据包。

　接收数据

　　通过receive()方法从DatagramChannel接收数据，如：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
channel.receive(buf);

　　receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。

　发送数据

　　通过send()方法从DatagramChannel发送数据，如:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

　　这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。因为服务端并没有监控这个端口，所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到，因为UDP在数据传送方面没有任何保证。

　连接到特定的地址

　　可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。由于UDP是无连接的，连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel ，让其只能从特定地址收发数据。

　　这里有个例子:

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

　　当连接后，也可以使用read()和write()方法，就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子：

int bytesRead = channel.read(buf);
int bytesWritten = channel.write(but);

Pipe　　

　　Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

　　这里是Pipe原理的图示：

　创建管道

　　通过Pipe.open()方法打开管道。例如：

Pipe pipe = Pipe.open();

　向管道写数据

　　要向管道写数据，需要访问sink通道。像这样：

Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();

　　通过调用SinkChannel的write()方法，将数据写入SinkChannel,像这样：

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()) {
    sinkChannel.write(buf);
}

　从管道读取数据

　　从读取管道的数据，需要访问source通道，像这样：

Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();

　　调用source通道的read()方法来读取数据，像这样：

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

　　read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区。

实战：编码客户端和服务端，服务端可以接受客户端的请求，并返回一个报文，客户端接受报文并解析输出。

服务端代码：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class ServerSocket {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //创建一个服socket并打开
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            //监听绑定8090端口
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8090));
            //设置为非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            while(true) {
                //获取请求连接
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                if(socketChannel != null) {
                    ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buf1);
                    //切换模式为读模式，其实就是把postion位置设置为0，可以从0开始读取
                    buf1.flip();
                    //如果缓冲区还有数据
                    if(buf1.hasRemaining()) {
                        System.out.println(">>>服务端收到数据："+new String(buf1.array()));
                    }
                    //数据读完后清空缓冲区
                    buf1.clear();
                    //构造返回的报文，分为头部和主体，实际情况可以构造复杂的报文协议，这里只演示，不做特殊设计。
                    ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
                    header.put("[head]".getBytes());
                    ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);
                    body.put("i am body".getBytes());
                    header.flip();
                    body.flip();
                    ByteBuffer[] bufArray = {header, body};
                    socketChannel.write(bufArray);
                    socketChannel.close();
                }else {
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

服务端selector(选择器版本)

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class ServerSelectorClient {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //打开选择器
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSockerChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSockerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8090));
            serverSockerChannel.configureBlocking(false);
            //向通道注册选择器，并且注册接受事件
            serverSockerChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while(true) {
                //获取已经准备好的通道数量
                int readyChannels = selector.selectNow();
                //如果没准备好，重试
                if(readyChannels == 0) {
                    continue;
                }
                //获取准备好的通道中的事件集合
                Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
                while(keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = (SelectionKey) keyIterator.next();
                    if(key.isAcceptable()) {
                        //在自己注册的事件中写业务逻辑，
                        //我这里注册的是accept事件，
                        //这部分逻辑和上面非选择器服务端代码一样。
                        ServerSocketChannel serverSocketChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel1.accept();
                        ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
                        socketChannel.read(buf1);
                        buf1.flip();
                        if (buf1.hasRemaining()) {
                            System.out.println(">>>服务端收到数据：" + new String(buf1.array()));
                        }
                        buf1.clear();
                        
                        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
                        header.put("[head]".getBytes());
                        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);
                        body.put("i am body!".getBytes());
                        header.flip();
                        body.flip();
                        ByteBuffer[] bufferArray = {header, body};
                        socketChannel.write(bufferArray);
                        
                        socketChannel.close();
                    } else if (key.isConnectable()) {
                    } else if (key.isReadable()) {
                    } else if (key.isWritable()) {

                    }
                    //注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。
                    //Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。
                    //下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }

}

客户端代码

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class ClientSocket {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //打开socket连接，连接本地8090端口，也就是服务端
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8090));
            //请求服务端，发送请求
            ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf1.put("来着客户端的请求".getBytes());
            buf1.flip();
            if (buf1.hasRemaining())
                socketChannel.write(buf1);
            buf1.clear();
            //接受服务端的返回，构造接受缓冲区，我们定义头6个字节为头部，后续其他字节为主体内容。
            ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(6);
            ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
            ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

            socketChannel.read(bufferArray);
            header.flip();
            body.flip();
            if (header.hasRemaining())
                System.out.println(">>>客户端接收头部数据：" + new String(header.array()));
            if (body.hasRemaining())
                System.out.println(">>>客户端接收body数据：" + new String(body.array()));
            header.clear();
            body.clear();

            socketChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }

}

运行结果

服务端：

客户端：

　这里给出了服务端代码的两个版本，一个是非选择器的版本，一个是选择器的版本。查看最后运行结果，发现客户端根据双方约定的协议格式，正确解析到了头部和body的内容，其实这也是聚集和分散最主要的作用和应用场景，在网络交互中，进行协议报文格式的定义和实现。

posted @ 2019-05-13 18:35 myseries 阅读(857) 评论(0) 编辑收藏举报

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java NIO介绍

前言

JVM利弊

NIO原理

NIO与IO的区别

Buffer的分配

向Buffer中写数据

flip()方法

从Buffer中读取数据

clear()与compact()方法

基本的 Channel 示例

Selector

Selector的创建

向Selector注册通道

传统的socket监控

选择器属性

键对象

停止选择过程

打开FileChannel

从FileChannel读取数据

向FileChannel写数据

关闭FileChannel

FileChannel的position方法

FileChannel的size方法

FileChannel的truncate方法

FileChannel的force方法

打开 SocketChannel

关闭 SocketChannel

从 SocketChannel 读取数据

写入 SocketChannel

非阻塞模式

connect()

write()

read()

非阻塞模式与选择器

打开 ServerSocketChannel

关闭 ServerSocketChannel

监听新进来的连接

非阻塞模式

打开 DatagramChannel

接收数据

发送数据

连接到特定的地址

创建管道

向管道写数据

从管道读取数据

公告

　NIO与IO的区别

　flip()方法

　从Buffer中读取数据

　clear()与compact()方法　　

　基本的 Channel 示例

Selector　　

　Selector的创建

　向Selector注册通道

　传统的socket监控

　选择器属性

　打开FileChannel

　从FileChannel读取数据

　向FileChannel写数据

　关闭FileChannel

　FileChannel的position方法

　FileChannel的size方法

　FileChannel的truncate方法

　FileChannel的force方法

　打开 SocketChannel

　关闭 SocketChannel

　从 SocketChannel 读取数据

　写入 SocketChannel

　非阻塞模式

　connect()

　write()

　read()

　非阻塞模式与选择器

　打开 ServerSocketChannel

　关闭 ServerSocketChannel

　监听新进来的连接

　非阻塞模式

　打开 DatagramChannel

　接收数据

　发送数据

　连接到特定的地址

　创建管道

　向管道写数据

　从管道读取数据