NIO学习笔记

一 NIO 简介

java.nio全称Java non-blocking IO或Java New IO，是从jdk1.4 开始引入的一套新的IO api（New 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。

​ IO操作的模式：

​ PIO（Programing IO）: 所有的IO操作由CPU处理，CPU占用率比较高 。

​ DMA(Direct Memory Access):CPU把IO操作控制权交给DMA控制器，只能以固定的方式读写，CPU空闲做其他工作。

​ 通道方式(Channel)：能执行有限通道指令的IO控制器，代替CPU管理控制外设。通道有自己的指令系统，是一个协处理器，具有更强的独立处理数据输入和输出的能力。

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

• Buffer：缓冲区
• Channel：通道
• Selector：选择器(轮询器)

NIO和普通IO有什么区别：

二、Buffer的使用

​ Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。

​ 缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Java NIO里关键的Buffer实现：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer
  没有BooleanBuffer

2.1 Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

1. 创建缓冲区，写入数据到Buffer

2. 调flip()方法

3. 从Buffer中读取数据

4. 调用clear()方法或者compact()方法

   当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

   一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。
   ByteBuffer是抽象类，所以不能直接用new来创建对象，可以用ByteBuffer.allocate(1024)来创建一个初始大小为1024个字节的字节缓冲区。
   向缓冲区中添加字节用put
   取出用get，可以取出一个字节也可以取出多个字节
   最后记得清理缓冲区

public static void main(String[] args) {
		//1创建缓冲区
		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
		//2向缓冲区中添加内容
		buffer.put("helloworld".getBytes());
		//3切换为读模式
		buffer.flip();
		//4获取单个字节
		//buffer.get();
		//5获取多个字节
		byte[] data=new byte[buffer.limit()];
		buffer.get(data);
		System.out.println(new String(data));
		//6清空缓冲区
		buffer.clear();
	}

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”。你只能往里写capacity个byte、short、int、long、float、double、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续往里写数据

position

当你写数据到Buffer中式，position表示当前文职。初始position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity。
当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0，当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。在写模式下，limit等于Buffer的capacity

当切换Buffer到读模式时，limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置为写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，之歌值在写模式下就是position）

Buffer的分配

想要获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面时一个分配1024字节capacity的ByteBuffer的例子

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//创建间接内存，大小为1024k
ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocateDirect(1024);//直接缓冲区

直接缓冲区和间接缓冲区的区别

间接缓冲区：在堆中开辟，易于管理，垃圾回收器可以回收，空间有限，读写文件速度较慢

直接缓冲区：不在堆中，物理内存中开辟空间，空间比较大，读写文件速度快。缺点：不受垃圾回收器控制，创建和销毁耗性能

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：
·从Channel写到Buffer。
·通过Buffer的put()方法写道Buffer中

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

filp（）方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用filp（）方法会将position返回0，并将limit设置成之前position值
换句话说，position先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：
·1.从Buffer读取数据到Channel
·2.使用get（）方法从Buffer中读取数据。

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。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position返回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中读取多少个数据（byte、char等）

clear()与compact()方法

清除和压缩，清除limit回到capacity位置，position回到初始位置，压缩，则是limit位置不变，未读元素放在limit之前，position回到初始位置。
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。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。标记和回调。例如：

buffer.mark(); //添加标记
buffer.reset();//恢复到标记位置

三 Channel

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中
JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

3.1.1创建FileChannel

在使用FileChannel之前，必须先创建它。创建方式有两种：

第一种：使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。

第二种：JDK1.7之后才能使用, FileChannel.open()方法。
StandardOpenOption是一个枚举，里面有可读，可写等方法。

//第一种
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
//第二种
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\\aaa.txt"),StandardOpenOption.READ);

3.1.2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。

3.1.3 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写完所有字节，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。

3.1.4 关闭FileChannel

用完FileChannel后必须将其关闭。如：

channel.close();

3.2：FileChannel操作案例

写入文件：

//1创建FileOutputStream
FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\\out.txt");
//2获取通道
FileChannel outChannel = fos.getChannel();
//3创建缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
//4向缓冲区中放入数据
buffer.put("hello world".getBytes());
//5切换为读模式
buffer.flip();
//写入
outChannel.write(buffer);
//6关闭
outChannel.close();
System.out.println("写入完毕");

读取文件

//1创建FileInputStream
FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\\out.txt");
//2创建通道
FileChannel inChannel = fis.getChannel();
//3创建缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
int len=inChannel.read(buffer);
System.out.println(len);
//4处理数据
buffer.flip();
String data=new String(buffer.array(),0,len);
System.out.println(data);

//5关闭
inChannel.close();

复制图片：
直接缓冲区的使用,可以提高读写的速度。但是直接缓冲区的创建和销毁的开销比较大，一般大文件操作或能显著提高读写性能时使用。

//1创建通道
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\\003.jpg"),StandardOpenOption.READ);
FileChannel outChannel=FileChannel.open(Paths.get("d:\\haha.jpg"),StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
//2创建直接缓冲区
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
int len=0;
//3复制
while((len=inChannel.read(buffer))>0){
  buffer.flip();
  outChannel.write(buffer);
  buffer.clear();
}
//4关闭
inChannel.close();
outChannel.close();
System.out.println("复制完毕");

使用内存映射文件复制大文件：
内存映射文件也属于直接缓冲区

//1创建通道
FileChannel inChannel = new RandomAccessFile("d:\\01.wav", "r").getChannel();
FileChannel outChannel=new RandomAccessFile("d:\\02.wav", "rw").getChannel();
//2使用内存映射缓冲区（直接缓冲区）
MappedByteBuffer map = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0,inChannel.size());
outChannel.write(map);
//3关闭
inChannel.close();
outChannel.close();
System.out.println("复制完毕");

注意：如果文件超过2G,需要分多个文件映射。

四 Selector和非阻塞网络编程

传统网络编程
TCP ServerSocket Socket （阻塞式）
UDP DatagramSocket DatagramPacket

4.1 ServerSocketChannel、SocketChannel实现阻塞式网络编程

ServerSocketChannel式基于通道的socket监听器，等同于ServerSocket类。
SocketChannel式基于通道的客户端套接字，等同于Socket类。

实现代码：

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel listener = ServerSocketChannel.open();
        //2.绑定端口号SocketAdderss (InetAddress+端口号) 套接字地址 InetAdderess（ip地址，不包含端口号）
        listener.bind(new InetSocketAddress("10.9.21.243",9999));
        //3.监听，默认1阻塞
        System.out.println("服务器已启动。。。");
        SocketChannel socketChannel = listener.accept();
        //4.读取数据
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024*4);
        //read阻塞，不会返回0，如果客户端关闭或结束返回-1
        while (socketChannel.read(buffer)>0){
            buffer.flip();//转成读取模式
            String data = new String(buffer.array(),0,buffer.limit());
            System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + "说" + data);
            buffer.clear();
        }
        //5.关闭
        socketChannel.close();
        listener.close();
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建客户端套接字
        SocketChannel sc = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("10.9.21.229",8888));
        //2.写入
        while (true) {
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024*4);
            Scanner input = new Scanner(System.in);
            String data = input.next();
            byteBuffer.put(data.getBytes());
            byteBuffer.flip();
            sc.write(byteBuffer);
        }
        //如果不关闭可以一直输入数据
        //sc.close();
    }
}

4.2. Selector简介

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，事件的历字有如新连接进来，数据接收等。

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，这样会大量减少线程之间上下文切换的开销。

选择器（Selector）： Selector选择器类管理者一个被注册是通道集合的信息和它们的就绪状态。通道和选择器一起被注册，并且使用选择器来更新通道的就绪状态。

可选择通道（SelectableChannel） SelectableChannel这个抽象类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。它是所有支持就绪检查的通道类的父类。因为FIleChannel类没有继承SelectableChannel因此不是可选通道，而所有socket通道都是可选择的SockerChannel和SeverSocketChannel是SelectableChannel的子类。

选择键（SelectionKey） 选择键封装了特定的通道和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），选择键支持四种操作类型：
· Connect连接
· Accept 接收请求
· Read 读
· Write 写
Java中定义了四个常量来表示这四种操作类型：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

public class Server {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		//1创建ServerSocketChannel
		ServerSocketChannel ssc=ServerSocketChannel.open();
		//2设置为非阻塞式
		ssc.configureBlocking(false);
		//3绑定地址
		ssc.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
		//4创建选择器
		Selector selector=Selector.open();
		//5注册选择器
		ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
		while(selector.select()>0){
			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
			while(it.hasNext()){
				SelectionKey selectionKey = it.next();
				if(selectionKey.isAcceptable()){
					SocketChannel socketChannel=ssc.accept();
					socketChannel.configureBlocking(false);
					socketChannel.register(selector, selectionKey.OP_READ);
				}else if(selectionKey.isReadable()){
					//获取SocketChannel
					SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
					//创建缓冲区
					ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
					int len = 0;
					while((len = channel.read(buffer)) > 0 ){
						buffer.flip();
						System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
						buffer.clear();
					}
                  	  if(len==-1){//客户端已经退出
                          channel.close();
                      }
				}
				it.remove();
			}
		}
	}
}

public class Client {
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		//1创建SocketChannel
		SocketChannel sc=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
		//2设置为非阻塞式
		sc.configureBlocking(false);
		//3创建缓冲区
		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
		Scanner input=new Scanner(System.in);
		while(input.hasNext()){
			String s=input.nextLine();
			buffer.put(s.getBytes());
			buffer.flip();
			sc.write(buffer);
			buffer.clear();
          	 if(s.equals("886")){
				break;
			}
		}
		//4关闭
		sc.close();
	}
}

总结：
1 NIO简介 Java Non-blocking IO New IO

2 和传统IO

​ (1) 面向流 ，面向缓冲区

​ (2) 阻塞， 非阻塞

​ (3) 无 选择器（selector）

3 NIO

​ Buffer

​ Channel

​ Selector

4 Buffer

​ ByteBuffer

​ CharBuffer

​ ShortBuffer

​ …

​ 重要属性

​ 0<=mark<=postion<=limit<=capacitiy

​

​ put();//放入数据

​ get();//获取数据

​ flip();//切换为读模式

​ rewind()//可以重复

​ mark();//做标记

​ reset();//返回上一个标记

​ clear()//清空,

​ compact();//清空，会保留未读取的数据

​ 间接缓冲区: 堆中，空间不大，速度慢，jvm可以回收

​ 直接缓冲区: 物理内存中，空间大，速度块，jvm不能回收。

​

5 Channel

​ FileChannel

​ 5.1创建通道

​ InputStream OutputStream RandomAcceFile的getChannle();

​ FileChannel channel=FileChannel.open();

​ channel.read();

​ channel.write();

6 Selector：选择器(轮询器)(理解就可以)