Java NIO详细笔记

Java NIO笔记

java.nio全称java non-blocking IO，是指jdk1.4 及以上版本里提供的新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。

流与块

原来的I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式，原来的I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

面向流的 I/O 一次处理一个字节数据：一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易。链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责单个复杂处理机制的一部分。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相当慢。

面向块的 I/O 一次处理一个数据块，按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。

I/O 包和 NIO 已经很好地集成了，java.io.* 已经以 NIO 为基础重新实现了，所以现在它可以利用 NIO 的一些特性。例如，java.io.* 包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法，这使得即使在面向流的系统中，处理速度也会更快。

通道与缓冲区

通道Channel是对原 I/O 包中的流的模拟，可以通过它读取和写入数据。

通道与流的不同之处在于，流只能在一个方向上移动，而通道是双向的，可以用于读、写或者同时用于读写。

FileChannel：从文件中读取数据

DataChannel：通过UDP读写网络数据

SocketChannel：通过TCP读写网络数据

ServerSocketChannel：可监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel（类似Web服务器）

Buffer是一个对象， 包含一些要写入或者刚读出的数据，而在面向流的 I/O 中，数据直接写入或者将数据直接读到Stream。

在NIO库中，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，它是写入到缓冲区中的。

缓冲区实质上是一个数组，但不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。

缓冲区包括以下类型：

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

状态变量

• capacity：最大数据容量
• position：当前已经读写的字节数，指向下一个元素
• limit：还可以读写的字节数。

文件NIO实例

以下展示了使用 NIO 快速复制文件的实例：

public static void fastCopy(String src, String dist) throws IOException {
    /* 获得源文件的输入字节流 */
    FileInputStream fin = new FileInputStream(src);
    /* 获取输入字节流的文件通道 */
    FileChannel fcin = fin.getChannel();
    /* 获取目标文件的输出字节流 */
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream(dist);
    /* 获取输出字节流的文件通道 */
    FileChannel fcout = fout.getChannel();
    /* 为缓冲区分配 1024 个字节 */
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    while (true) {
        /* 从输入通道中读取数据到缓冲区中 */
        int r = fcin.read(buffer);
        /* read() 返回 -1 表示 EOF */
        if (r == -1) {
            break;
        }
        /* 切换读写 */
        buffer.flip();
        /* 把缓冲区的内容写入输出文件中 */
        fcout.write(buffer);
        /* 清空缓冲区 */
        buffer.clear();
    }
}

选择器Selectors

NIO常常被叫做非阻塞IO，实现了IO多路复用中的 Reactor 模型，一个线程Thread使用一个选择器Selector通过轮询的方式去监听多个通道Channel上的事件，从而让一个线程就可以处理多个事件。

通过配置监听的通道Channel为非阻塞，那么当Channel上的IO事件还未到达时，就不会进入阻塞状态一直等待，而是继续轮询其它Channel，找到IO事件已经到达的Channel执行。

因为创建和切换线程的开销很大，因此使用一个线程来处理多个事件而不是一个线程处理一个事件，对于IO集型的应用具有很好地性能。

注意，只有套接字Channel才能配置为非阻塞，而FileChannel不能，为FileChannel配置非阻塞也没有意义。

1.创建Selector对象

Selector selector = Selector.open();

2.向Selector注册通道Channel

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
//配置为非阻塞模式
ssc.configureBlocking(false);
//绑定通道到指定端口
ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress( ports[i] );
ss.bind( address );	
//向Selector中注册感兴趣的事件   
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

在将通道注册到选择器上时，还需要指定要注册的具体事件，主要有以下几类：

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

它们在 SelectionKey 的定义如下：

public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

可以看出每个事件可以被当成一个位域，从而组成事件集整数。例如：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

3.调用Selector的select()方法

// 3. 处理事件
try {    
    while(true) { 
        // 该调用会阻塞，直到至少有一个事件就绪、准备发生 
        selector.select(); 
        // 一旦上述方法返回，线程就可以处理这些事件
        Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); 
        Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator(); 
        while (iter.hasNext()) { 
            SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next(); 
            iter.remove(); 
            process(key); 
        }    
    }    
} catch (IOException e) {    
    e.printStackTrace();   
}

类型	面向 操作区域	处理数据 字节流&字符流	IO阻塞/非阻塞
Java IO	直接 面向 最初的数据源	- 每次读取时候=读取所有字节/字符，无缓存 - 无法前后移动读取流中的数据	阻塞 - 当1个线程在读写/写时：当数据被完全读取/写入完毕前&数据未准备好时，线程不能做其他任务，只能一直等待，直到数据准备好后继续读取/写入，即阻塞 - 当线程出去活跃状态时&外部未准备好时，即阻塞
Java NIO	面向缓冲区	- 先将数据读取到缓存区 - 可在缓存区中前后移动流数据	非阻塞 - 当1个线程向某通道发送请求，要求读/写时，当数据被完全读取/写入完毕前&数据未准备好，线程可以做其他任务(控制其他通道)，直到数据准备好后再切换回该通道，继续读取/写入，即选择（Selector）的使用 - 外部准备好时才唤醒线程，则不会阻塞

套接字 NIO 实例

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        String s = "hello world";
        out.write(s.getBytes());
        out.close();
    }
}

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
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 NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
        ssChannel.configureBlocking(false);
        ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
        serverSocket.bind(address);

        while (true) {

            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {

                SelectionKey key = keyIterator.next();

                if (key.isAcceptable()) {

                    ServerSocketChannel ssChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();

                    // 服务器会为每个新连接创建一个 SocketChannel
                    SocketChannel sChannel = ssChannel1.accept();
                    sChannel.configureBlocking(false);

                    // 这个新连接主要用于从客户端读取数据
                    sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (key.isReadable()) {

                    SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    System.out.println(readDataFromSocketChannel(sChannel));
                    sChannel.close();
                }

                keyIterator.remove();
            }
        }
    }

    private static String readDataFromSocketChannel(SocketChannel sChannel) throws IOException {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        StringBuilder data = new StringBuilder();

        while (true) {

            buffer.clear();
            int n = sChannel.read(buffer);
            if (n == -1) {
                break;
            }
            buffer.flip();
            int limit = buffer.limit();
            char[] dst = new char[limit];
            for (int i = 0; i < limit; i++) {
                dst[i] = (char) buffer.get(i);
            }
            data.append(dst);
            buffer.clear();
        }
        return data.toString();
    }
}

内存映射文件I/O

内存映射文件 I/O 是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的 I/O 快得多。

向内存映射文件写入可能是危险的，只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。

下面代码行将文件的前1024个字节映射到内存中，map()方法返回一个 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer 的子类。因此，可以像使用其他任何 ByteBuffer 一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行映射。

MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);