JAVA IO 与 NIO 理解

所谓NIO 就是 NewIO ，因为原来的IO又叫OIO。 首先讲一下OIO。 在这里通过代码讲解可能更容易理解一些。我只写出部分代码。

 

try{

serverSocket = new ServerSocket(port);

while(true){

socket = serverSocket.accept();

new LogicThread(socket);

}

 

从这段代码中可以很明显的看出 serverSocket对象一直处在一个死循环中，也就是堵塞。 一直等到有客户端连接的时候才会返回一个socket句柄。顺便说一下serverSocket对象。serverSocket类就是java抽象出来，用来处理操作系统的请求队列之类的东东。例如你可以设定可以允许队列接受多少个客户端请求。接着刚才的说，一旦有了客户端的时候，我们就去new LogicThread 。假如500个客户端请求，那么服务器就会创建500个线程来去应对500个客户端。当然一般采用线程池。我这里只是为了方便讲解就直接创建线程了。在线程里我们看一下代码：  try{

                            //初始化流

                            os = socket.getOutputStream();

                            is = socket.getInputStream();

                            for(int i = 0;i < 3;i++){

                                     //读取数据

                                     int n = is.read(b);

                                     //逻辑处理

                                     byte[] response = logic(b,0,n);

                                     //反馈数据

                                     os.write(response);

                            }

可以看到在读数据的时候又是堵塞的。

总结一下OIO的缺点就是

1. 当客户端多时，会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间
2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换，且大部分上下文切换可能是无意义的。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

 

我们依然通过代码来讲解NIO。JAVA NIO 采用的是双向通道。channel 而不是单项的Stream。 我们可以向channel上注册感兴趣的事件。 事件就是四个：

事件名	对应值
服务端接收客户端连接事件	SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件	SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件	SelectionKey.OP_READ(1)
写事件	SelectionKey.OP_WRITE(4)

 对于每一个channel 总得有个东西来去管理吧。。这个东西就是selector。该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。

 

 

下面就到了具体他为什么和老的IO区别了！！！

假设：某时刻客户端给服务端发送了一些数据，采用古老的I/O，就像前面输的那样，会创建了一个线程，然后去读这个客户端的数据。调用read()方法阻塞地读取数据。新的IO呢？？？而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。

 

代码：

1.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
2.         // 设置通道为非阻塞  
3.         serverChannel.configureBlocking(false);  
4.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
5.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
6.         // 获得一个通道管理器  
7.         this.selector = Selector.open();  
8.         //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，  
9.         //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。  
10.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
11.     
12.     @SuppressWarnings("unchecked")  
13.     public void listen() throws IOException {  
14.         System.out.println("服务端启动成功！");  
15.         // 轮询访问selector  
16.         while (true) {  
17.             //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞  
18.             selector.select();  
19.             // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件  
20.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
21.             while (ite.hasNext()) {  
22.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
23.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
24.                 ite.remove();  
25.                 // 客户端请求连接事件  
26.                 if (key.isAcceptable()) {  
27.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
28.                             .channel();  
29.                     // 获得和客户端连接的通道  
30.                     SocketChannel channel = server.accept();  
31.                     // 设置成非阻塞  
32.                     channel.configureBlocking(false);  
33.   
34.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
35.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
36.                     //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。  
37.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
38.                       
39.                     // 获得了可读的事件  
40.                 } else if (key.isReadable()) {  
41.                         read(key);  
42.                 }  
43.   
44.             }  
45.   
46.         }  
47.     }  
48.       
49.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
50.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
51.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
52.         // 创建读取的缓冲区  
53.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  
54.         channel.read(buffer);  
55.         byte[] data = buffer.array();  
56.         String msg = new String(data).trim();  
57.         System.out.println("服务端收到信息："+msg);  
58.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
59.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
60.     }  

 

就是这个样子的。。通俗一点：NIO 有一个专门的线程，去监视端口，一旦有客户端请求到达，就会添加一个事件。NIO最重要的就是基于事件驱动。然后work轮询知道发现自己注册的事件有了后就去工作。http://developer.51cto.com/art/201112/307463_3.htm

 

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传统的socket IO中，需要为每个连接创建一个线程，当并发的连接数量非常巨大时，线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大。使用NIO，不再需要为每个线程创建单独的线程，可以用一个含有限数量线程的线程池，甚至一个线程来为任意数量的连接服务。由于线程数量小于连接数量，所以每个线程进行IO操作时就不能阻塞，如果阻塞的话，有些连接就得不到处理，NIO提供了这种非阻塞的能力。

 

小量的线程如何同时为大量连接服务呢，答案就是就绪选择。这就好比到餐厅吃饭，每来一桌客人，都有一个服务员专门为你服务，从你到餐厅到结帐走人，这样方式的好处是服务质量好，一对一的服务，VIP啊，可是缺点也很明显，成本高，如果餐厅生意好，同时来100桌客人，就需要100个服务员，那老板发工资的时候得心痛死了，这就是传统的一个连接一个线程的方式。

 

老板是什么人啊，精着呢。这老板就得捉摸怎么能用10个服务员同时为100桌客人服务呢，老板就发现，服务员在为客人服务的过程中并不是一直都忙着，客人点完菜，上完菜，吃着的这段时间，服务员就闲下来了，可是这个服务员还是被这桌客人占用着，不能为别的客人服务，用华为领导的话说，就是工作不饱满。那怎么把这段闲着的时间利用起来呢。这餐厅老板就想了一个办法，让一个服务员（前台）专门负责收集客人的需求，登记下来，比如有客人进来了、客人点菜了，客人要结帐了，都先记录下来按顺序排好。每个服务员到这里领一个需求，比如点菜，就拿着菜单帮客人点菜去了。点好菜以后，服务员马上回来，领取下一个需求，继续为别人客人服务去了。这种方式服务质量就不如一对一的服务了，当客人数据很多的时候可能需要等待。但好处也很明显，由于在客人正吃饭着的时候服务员不用闲着了，服务员这个时间内可以为其他客人服务了，原来10个服务员最多同时为10桌客人服务，现在可能为50桌，60客人服务了。

 

这种服务方式跟传统的区别有两个：

1、增加了一个角色，要有一个专门负责收集客人需求的人。NIO里对应的就是Selector。

2、由阻塞服务方式改为非阻塞服务了，客人吃着的时候服务员不用一直侯在客人旁边了。传统的IO操作，比如read()，当没有数据可读的时候，线程一直阻塞被占用，直到数据到来。NIO中没有数据可读时，read()会立即返回0，线程不会阻塞。

 

NIO中，客户端创建一个连接后，先要将连接注册到Selector，相当于客人进入餐厅后，告诉前台你要用餐，前台会告诉你你的桌号是几号，然后你就可能到那张桌子坐下了，SelectionKey就是桌号。当某一桌需要服务时，前台就记录哪一桌需要什么服务，比如1号桌要点菜，2号桌要结帐，服务员从前台取一条记录，根据记录提供服务，完了再来取下一条。这样服务的时间就被最有效的利用起来了。

http://blog.csdn.net/zhouhl_cn/article/details/6568119

 

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导读
J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符转换，缓冲以及通道。

一. 介绍 NIO
NIO包（java.nio.*）引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。
1 ． Buffer：它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
2 ． Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3 ． Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。
4 ． Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中（它可以被看成是Unix中select（）函数或Win32中WaitForSingleEvent（）函数的面向对象版本）。
二. 回顾传统
在介绍NIO之前，有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例，传统方式需要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务（服务通常包括了处理请求并发送响应）图一是服务器的生命周期图，其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。

 

图一

可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建 ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；
然后接受新的连接请求  
Socket newConnection=server.accept（）；
对于accept方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，服务器可以读客户socket中的请求。
InputStream in = newConnection.getInputStream();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
Request request = new Request();
while(!request.isComplete()) {
String line = buffer.readLine();
request.addLine(line);
}
这样的操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine（）方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞，只有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。
同样的问题在发送响应代码中也存在
Response response = request.generateResponse();
OutputStream out = newConnection.getOutputStream();
InputStream in = response.getInputStream() ；
int ch ；
while(-1 != (ch = in.read())) {
out.write(ch);
}
newConnection.close();
类似的，读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，但是一旦使用缓冲，流又会产生更多的垃圾。
传统的解决方法
通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程（大量的线程）。一般是实现一个线程池用来处理请求，如图二

 

图二
线程使得服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。
三. 新 I/O
1．  Buffer
传统的I/O不断的浪费对象资源（通常是String）。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它根据其类别只包含唯一的数据类型。
java.nio.Buffer  类描述  
java.nio.ByteBuffer 包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写  
java.nio.MappedByteBuffer 包含字节类型，直接在内存某一区域映射  
java.nio.CharBuffer 包含字符类型，不能写入通道  
java.nio.DoubleBuffer 包含double类型，不能写入通道  
java.nio.FloatBuffer 包含float类型  
java.nio.IntBuffer 包含int类型  
java.nio.LongBuffer 包含long类型  
java.nio.ShortBuffer 包含short类型  
可以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java数组基础上创建buffer。
2 ． 字符编码
向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，但是并没有处理字符转换。事实上，ByteBuffer没有提供方法读写String。
Java.nio.charset.Charset 处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。
3 ． 通道 (Channel)
你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下

 

图三
图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
GatheringByteChannel 可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或 Reader
4．  Selector
在过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子

 

图四
并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位，将要用两次。首先，当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时，它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后，一旦SelectionKey被选中了，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

ServerSocketChannel OP_ACCEPT 
SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE 
DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE 
Pipe.SourceChannel OP_READ 
Pipe.SinkChannel OP_WRITE

四. 举例说明
1 ． 简单网页内容下载
这个例子非常简单，类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。
package examples.nio;

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

public class SocketChannelReader{

private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");// 创建UTF-8字符集
private SocketChannel channel;

public void getHTMLContent(){
try{
connect();
sendRequest();
readResponse();
}catch(IOException e){
System.err.println(e.toString());
}finally{
if(channel!=null){
try{
channel.close();
}catch(IOException e){}
}
}
}
private void connect()throws IOException{// 连接到 CSDN
InetSocketAddress socketAddress=
new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/);
channel=SocketChannel.open(socketAddress);
//使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上
// 相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用
}

private void sendRequest()throws IOException{
channel.write(charset.encode("GET "
+"/document"
+"\r\n\r\n"));// 发送GET请求到CSDN的文档中心
// 使用channel.write方法，它需要CharByte类型的参数，使用
//Charset.encode(String) 方法转换字符串。
}

private void readResponse()throws IOException{// 读取应答
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲
while(channel.read(buffer)!=-1){
buffer.flip();//flip 方法在读缓冲区字节操作之前调用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
// 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
buffer.clear();// 清空缓冲
}
}

public static void main(String [] args){
new SocketChannelReader().getHTMLContent();
}
2 ． 简单的加法服务器和客户机
服务器代码
package examples.nio;

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

/**
* SumServer.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumServer {

private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
private SocketChannel _clientChannel=null;
private ServerSocketChannel _serverChannel=null;

public void start(){
try{
openChannel();
waitForConnection();
}catch(IOException e){
System.err.println(e.toString());
}
}

private void openChannel()throws IOException{
_serverChannel=ServerSocketChannel.open();
_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));
System.out.println(" 服务器通道已经打开 ");
}

private void waitForConnection()throws IOException{
while(true){
_clientChannel=_serverChannel.accept();
if(_clientChannel!=null){
System.out.println(" 新的连接加入 ");
processRequest();
_clientChannel.close();
}
}
}

private void processRequest()throws IOException{
_buffer.clear();
_clientChannel.read(_buffer);
int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1);
_buffer.flip();
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,result);
_clientChannel.write(_buffer);
}

public static void main(String [] args){
new SumServer().start();
}
} // SumServer
客户代码
package examples.nio;

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

/**
* SumClient.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumClient {

private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer;
private SocketChannel _channel;

public SumClient() {
_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
} // SumClient constructor

public int getSum(int first,int second){
int result=0;
try{
_channel=connect();
sendSumRequest(first,second);
result=receiveResponse();
}catch(IOException e){System.err.println(e.toString());
}finally{
if(_channel!=null){
try{
_channel.close();
}catch(IOException e){}
}
}
return result;
}

private SocketChannel connect()throws IOException{
InetSocketAddress socketAddress=
new InetSocketAddress("localhost",10000);
return SocketChannel.open(socketAddress);
}

private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,first);
_intBuffer.put(1,second);
_channel.write(_buffer);
System.out.println(" 发送加法请求  "+first+"+"+second);
}

private int receiveResponse()throws IOException{
_buffer.clear();
_channel.read(_buffer);
return _intBuffer.get(0);
}

public static void main(String [] args){
SumClient sumClient=new SumClient();
System.out.println(" 加法结果为  :"+sumClient.getSum(100,324));
}
} // SumClient
3 ． 非阻塞的加法服务器
首先在openChannel方法中加入语句
_serverChannel.configureBlocking(false);// 设置成为非阻塞模式

重写WaitForConnection方法的代码如下，使用非阻塞方式  
private void waitForConnection()throws IOException{
Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();

/* 在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。
这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表
上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。 */
SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, 
SelectionKey.OP_ACCEPT);
int keysAdded = 0;

/*select方法在任何上面注册了的操作发生时返回 */
while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
// 某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合
Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
Iterator i = readyKeys.iterator();

//  遍历ready键集合，并处理加法请求
while (i.hasNext()) {
SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next();
i.remove();
ServerSocketChannel nextReady = 
(ServerSocketChannel)sk.channel();
//  接受加法请求并处理它
_clientSocket = nextReady.accept().socket();
processRequest();
_clientSocket.close();
}
}
}

参考资料
1 ．   From
2．  J2SE1.4.2 API Specification From
3．  From
4. NIO Examples From

 

http://blog.chinaunix.net/uid-24186189-id-2623973.html