Java NIO指JDK 1.4中提供的新IO，可以理解为非阻塞IO（non-blocking 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。
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- JAVA IO学习笔记： IO基本知识
- JAVA IO学习笔记： NIO介绍
- JAVA IO学习笔记： AIO介绍
- JAVA IO学习笔记：压缩和序列化
NIO和IO的区别
- 面向流与面向缓冲。
Java IO和NIO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。
在NIO厍中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
- 阻塞与非阻塞IO。
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。
- 选择器（Selectors）。
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
NIO 的结构
NIO结构.jpg
- Buffer(缓冲区)
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。
Buffer的常见方法如下所示:
- flip(): 写模式转换成读模式
- rewind()：将 position 重置为 0 ，一般用于重复读。
- clear() ：清空 buffer ，准备再次被写入 (position 变成 0 ， limit 变成 capacity) 。
- compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。
- mark(): reset():mark 可以标记一个位置， reset 可以重置到该位置。
Buffer 常见类型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。
- Channel (通道)
NIO 通过Channel（通道） 进行读写。
通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和Buffer交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。
- Selectors(选择器)
选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此，为了提高系统效率选择器是有用的。
NIO的问题
实际中，开发者很少直接使用JDK的NIO类库进行开发，具体原因如下。
1）NIO的类库和API繁杂，使用麻烦，你需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。
2）需要具备其他的额外技能做铺垫，例如熟悉Java多线程编程。这是因为NIO编程涉及到Reactor模式，你必须对多线程和网路编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序。
3）可靠性能力补齐，工作量和难度都非常大。例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处理等问题，NIO编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐的工作量和难度都非常大。
4）JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决。
异常堆栈如下。
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at sun.nio.ch.EPollArrayWrapper.epollWait(Native Method)
at sun.nio.ch.EPollArrayWrapper.poll(EPollArrayWrapper.java:210)
at sun.nio.ch.EPollSelectorImpl.doSelect(EPollSelectorImpl.java:65)
at sun.nio.ch.SelectorImpl.lockAndDoSelect(SelectorImpl.java:69)
- locked <0x0000000750928190> (a sun.nio.ch.Util$2)
- locked <0x00000007509281a8> (a java.util.Collections$ UnmodifiableSet)
- locked <0x0000000750946098> (a sun.nio.ch.EPollSelectorImpl)
at sun.nio.ch.SelectorImpl.select(SelectorImpl.java:80)
at net.spy.memcached.MemcachedConnection.handleIO(Memcached Connection.java:217)
at net.spy.memcached.MemcachedConnection.run(MemcachedConnection. java:836)
NIO实战
下面通过一个多人在线聊天室的程序来演示NIO的使用。
服务器端代码如下。
package com.chat.server;
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.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Vector;
public class ChatServer implements Runnable {
//选择器
private Selector selector;
//注册serverSocketChannel后的选择键
private SelectionKey serverKey;
//标识是否运行
private boolean isRun;
//当前聊天室中的用户名称列表
private Vector unames;
//时间格式化器
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
/**
* 构造函数
* @param port 服务器监控的端口号
*/
public ChatServer(int port) {
isRun = true;
unames = new Vector();
init(port);
}
/**
* 初始化选择器和服务器套接字
* @param port 服务器监控的端口号
*/
private void init(int port) {
try {
//获得选择器实例
selector = Selector.open();
//获得服务器套接字实例
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口号
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//设置为非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);
//将channel注册到选择器，指定其行为为“等待接受连接”
serverKey = serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
printInfo("Server starting...");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void run() {
try {
//轮询选择器选择键
while(isRun) {
// n=1表示有准备好进行IO操作的key
int n = selector.select();
if(n > 0) {
//从选择器上获取已选择的key的集合来进行迭代
Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
//如果此key的通道可接受新的套接字
if(key.isAcceptable()) {
//一定要remove这个key，否则之后的新连接会被堵塞，无法连接服务器
iter.remove();
//获取key对应的通道
ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
//接受新的连接返回和客户端对等的套接字通道
SocketChannel channel = serverChannel.accept();
if(channel == null) {
continue;
}
//设置为非阻塞
channel.configureBlocking(false);
//将套接字通道注册到选择器，并指定其行为“读”
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
//如果key的通道行为是读
if(key.isReadable()) {
readMsg(key);
}
//如果key的通道行为是写
if(key.isWritable()) {
writeMsg(key);
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void readMsg(SelectionKey key) throws IOException {
//获取此key对应的套接字通道
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
//创建一个1024k的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
StringBuffer sb = new StringBuffer();
//将通道的数据读到缓冲区
int count = channel.read(buffer);
if(count > 0) {
//翻转缓冲区，由写到读
buffer.flip();
sb.append(new String(buffer.array(), 0, count));
}
String str = sb.toString();
//若消息中有open，则客户端准备进入聊天界面
if(str.indexOf("open_") != -1) {
String name = str.substring(5);
printInfo(name + " online");
unames.add(name);
Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iter.next();
//若不是服务器套接字通道的key，则将数据设置到此key中，
//并更新此key感兴趣的动作
if(selKey != serverKey) {
selKey.attach(unames);
selKey.interestOps(selKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
} else if(str.indexOf("exit_") != -1){ //退出命令
String uname = str.substring(5);
//删除用户名
unames.remove(uname);
//将close字符串附加到key
key.attach("close");
//更新此key感兴趣的动作
key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
Iterator iter = key.selector().selectedKeys().iterator();
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iter.next();
if(selKey != serverKey && selKey != key) {
selKey.attach(unames);
selKey.interestOps(selKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
printInfo(uname + " offline");
} else {
String uname = str.substring(0, str.indexOf("^"));
String msg = str.substring(str.indexOf("^") + 1);
printInfo("(" + uname + "）说：" + msg);
String dateTime = sdf.format(new Date());
String smsg = uname + " " + dateTime + "\n " + msg + "\n";
Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iter.next();
if(selKey != serverKey) {
selKey.attach(smsg);
selKey.interestOps(selKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
}
}
private void writeMsg(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
Object obj = key.attachment();
//这里有必要将key的附加数据设置为空，否则会有问题
key.attach("");
if(obj.toString().equals("close")) {
key.channel();
channel.socket().close();
channel.close();
return;
} else {
channel.write(ByteBuffer.wrap(obj.toString().getBytes()));
}
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
private void printInfo(String str) {
System.out.println("[" + sdf.format(new Date()) + "] - >" + str);
}
public static void main(String[] args) {
ChatServer server = new ChatServer(19999);
new Thread(server).start();
}
}
客户端一共三个类。
首先是用来和服务端交互的客户端服务类。
package com.chat.client;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
/**
* 与服务端交互的客户端类
*/
public class ClientService {
private static final String HOST = "127.0.0.1";
private static final int PORT = 19999;
private static SocketChannel sc;
private static Object lock = new Object();
private static ClientService service;
public static ClientService getInstance() {
synchronized (lock) {
if(service == null) {
try {
service = new ClientService();
} catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return service;
}
}
private ClientService() throws IOException {
sc = SocketChannel.open();
sc.configureBlocking(false);
sc.connect(new InetSocketAddress(HOST, PORT));
}
public void sendMsg(String msg) {
try {
while(!sc.finishConnect()) {
}
sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public String receiveMsg() {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.clear();
StringBuffer sb = new StringBuffer();
int count = 0;
String msg = null;
try {
while((count = sc.read(buffer)) > 0) {
sb.append(new String(buffer.array(), 0, count));
}
if(sb.length() > 0) {
msg = sb.toString();
if("close".equals(sb.toString())) {
msg = null;
sc.close();
sc.socket().close();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return msg;
}
}
然后是登陆窗体，用户用来设置名称。
package com.chat.client;
import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
/**
* 设置名称的登录窗体
*/
public class SetNameFrame extends JFrame {
private static final long serilaVersionUID = 1L;
private static JTextField txtName;
private static JButton btnOK;
private static JLabel label;
public SetNameFrame() {
this.setLayout(null);
Toolkit kit = Toolkit.getDefaultToolkit();
int w = kit.getScreenSize().width;
int h = kit.getScreenSize().height;
this.setBounds(w / 2 - 230 / 2, h / 2 - 200 / 2, 230, 200);
this.setTitle("设置名称");
this.setDefaultCloseOperation(EXIT_ON_CLOSE);
this.setResizable(false);
txtName = new JTextField(4);
this.add(txtName);
txtName.setBounds(10, 10, 100, 25);
btnOK = new JButton("OK");
this.add(btnOK);
btnOK.setBounds(120, 10, 80, 25);
label = new JLabel("[w:" + w + ",h:" + h + "]");
this.add(label);
label.setBounds(10, 40, 200, 100);
label.setText("在上面的文本框中输入名字显示器宽度： " + w + "
显示器高度： "
+ h + "");
btnOK.addActionListener(new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
String uname = txtName.getText();
ClientService service = ClientService.getInstance();
ChatFrame chatFrame = new ChatFrame(service, uname);
chatFrame.show();
setVisible(false);
}
});
}
public static void main(String[] args) {
SetNameFrame setNameFrame = new SetNameFrame();
setNameFrame.setVisible(true);
}
}
最后是聊天室窗体。
package com.chat.client;
import javax.swing.*;
import javax.swing.event.ListSelectionEvent;
import javax.swing.event.ListSelectionListener;
import java.awt.event.*;
public class ChatFrame {
private JTextArea readContext = new JTextArea(18, 30);
private JTextArea writeContext = new JTextArea(6, 30);
private DefaultListModel model = new DefaultListModel();
private JList list = new JList(model);
private JButton btnSend = new JButton("发送");
private JButton btnClose = new JButton("关闭");
private JFrame frame = new JFrame("ChatFrame");
private String uname;
private ClientService service;
private boolean isRun = false;
public ChatFrame(ClientService service, String uname) {
this.isRun = true;
this.uname = uname;
this.service = service;
}
private void init() {
frame.setLayout(null);
frame.setTitle(uname + " 聊天窗口");
frame.setSize(500, 500);
frame.setLocation(400, 200);
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setResizable(false);
JScrollPane readScroll = new JScrollPane(readContext);
readScroll.setVerticalScrollBarPolicy(JScrollPane.VERTICAL_SCROLLBAR_AS_NEEDED);
frame.add(readScroll);
JScrollPane writeScroll = new JScrollPane(writeContext);
writeScroll.setVerticalScrollBarPolicy(JScrollPane.VERTICAL_SCROLLBAR_AS_NEEDED);
frame.add(writeScroll);
frame.add(list);
frame.add(btnSend);
frame.add(btnClose);
readScroll.setBounds(10, 10, 320, 300);
readContext.setBounds(0, 0, 320, 300);
readContext.setEditable(false);
readContext.setLineWrap(true);
writeScroll.setBounds(10, 315, 320, 100);
writeContext.setBounds(0, 0, 320, 100);
writeContext.setLineWrap(true);
list.setBounds(340, 10, 140, 445);
btnSend.setBounds(150, 420, 80, 30);
btnClose.setBounds(250, 420, 80, 30);
frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
@Override
public void windowClosing(WindowEvent e) {
isRun = false;
service.sendMsg("exit_" + uname);
System.exit(0);
}
});
btnSend.addActionListener(new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
String msg = writeContext.getText().trim();
if(msg.length() > 0) {
service.sendMsg(uname + "^" + writeContext.getText());
}
writeContext.setText(null);
writeContext.requestFocus();
}
});
//关闭按钮事件
btnClose.addActionListener(new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
isRun = false;
service.sendMsg("exit_" + uname);
System.exit(0);
}
});
//右边名称列表选择事件
list.addListSelectionListener(new ListSelectionListener() {
@Override
public void valueChanged(ListSelectionEvent e) {
}
});
writeContext.addKeyListener(new KeyListener() {
@Override
public void keyTyped(KeyEvent e) {
}
@Override
public void keyPressed(KeyEvent e) {
}
@Override
public void keyReleased(KeyEvent e) {
//按下Enter发送消息
if(e.getKeyCode() == KeyEvent.VK_ENTER) {
String msg = writeContext.getText().trim();
if(msg.length() > 0) {
service.sendMsg(uname + "^" + writeContext.getText());
}
writeContext.setText(null);
writeContext.requestFocus();
}
}
});
}
//此线程类用于轮询读取服务器发送的消息
private class MsgThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while(isRun) {
String msg = service.receiveMsg();
if(msg != null) {
//若是名称列表数据，则更新窗体右边的列表
if(msg.indexOf("[") != -1 && msg.lastIndexOf("]") != -1) {
msg = msg.substring(1, msg.length() - 1);
String[] userNames = msg.split(",");
model.removeAllElements();
for(int i = 0; i < userNames.length; i++) {
model.addElement(userNames[i].trim());
}
} else {
String str = readContext.getText() + msg;
readContext.setText(str);
readContext.selectAll();
}
}
}
}
}
//显示界面
public void show() {
this.init();
service.sendMsg("open_" + uname);
MsgThread msgThread = new MsgThread();
msgThread.start();
this.frame.setVisible(true);
}
}
聊天室效果如下。
NIO实现聊天室.png