java NIO API详解（2）

ScatteringByteChannel

继承了ReadableByteChannel并提供了同时往几个ByteBuffer中写数据的能力。

 

GatheringByteChannel

继承了WritableByteChannel并提供了同时从几个ByteBuffer中读数据的能力。

 

InterruptibleChannel

用来表现一个可以被异步关闭的Channel。这表现在两方面：

1．    当一个InterruptibleChannel的close()方法被调用时，其它block在这个InterruptibleChannel的IO操作上的线程会接收到一个AsynchronousCloseException。

2．    当一个线程block在InterruptibleChannel的IO操作上时，另一个线程调用该线程的interrupt()方法会导致channel被关闭，该线程收到一个ClosedByInterruptException，同时线程的interrupt状态会被设置。

 

 

接下来的这张UML类图描述了java.nio.channels中类的关系：

 

异步IO

异步IO的支持可以算是NIO API中最重要的功能，异步IO允许应用程序同时监控多个channel以提高性能，这一功能是通过Selector，SelectableChannel和SelectionKey这3个类来实现的。

 

SelectableChannel代表了可以支持异步IO操作的channel，可以将其注册在Selector上，这种注册的关系由SelectionKey这个类来表现（见UML图）。Selector这个类通过select()函数，给应用程序提供了一个可以同时监控多个IO channel的方法：

 

应用程序通过调用select()函数，让Selector监控注册在其上的多个SelectableChannel，当有channel的IO操作可以进行时，select()方法就会返回以让应用程序检查channel的状态，并作相应的处理。

 

下面是JDK 1.4中异步IO的一个例子，这段code使用了异步IO实现了一个time server：

private static void acceptConnections(int port) throws Exception {        // 打开一个Selector        Selector acceptSelector =            SelectorProvider.provider().openSelector();          // 创建一个ServerSocketChannel，这是一个SelectableChannel的子类        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();        // 将其设为non-blocking状态，这样才能进行异步IO操作        ssc.configureBlocking(false);          // 给ServerSocketChannel对应的socket绑定IP和端口        InetAddress lh = InetAddress.getLocalHost();        InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(lh, port);        ssc.socket().bind(isa);          // 将ServerSocketChannel注册到Selector上，返回对应的SelectionKey        SelectionKey acceptKey =            ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);          int keysAdded = 0;          // 用select()函数来监控注册在Selector上的SelectableChannel        // 返回值代表了有多少channel可以进行IO操作 (ready for IO)        while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {            // selectedKeys()返回一个SelectionKey的集合，            // 其中每个SelectionKey代表了一个可以进行IO操作的channel。            // 一个ServerSocketChannel可以进行IO操作意味着有新的TCP连接连入了            Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();            Iterator i = readyKeys.iterator();              while (i.hasNext()) {               SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();               // 需要将处理过的key从selectedKeys这个集合中删除               i.remove();               // 从SelectionKey得到对应的channel               ServerSocketChannel nextReady =                   (ServerSocketChannel) sk.channel();               // 接受新的TCP连接               Socket s = nextReady.accept().socket();               // 把当前的时间写到这个新的TCP连接中               PrintWriter out =                   new PrintWriter(s.getOutputStream(), true);               Date now = new Date();               out.println(now);               // 关闭连接               out.close();            }        }     }

这是个纯粹用于演示的例子，因为只有一个ServerSocketChannel需要监控，所以其实并不真的需要使用到异步IO。不过正因为它的简单，可以很容易地看清楚异步IO是如何工作的。

 

SelectableChannel

这个抽象类是所有支持异步IO操作的channel（如DatagramChannel、SocketChannel）的父类。SelectableChannel可以注册到一个或多个Selector上以进行异步IO操作。

 

SelectableChannel可以是blocking和non-blocking模式（所有channel创建的时候都是blocking模式），只有non-blocking的SelectableChannel才可以参与异步IO操作。

 

SelectableChannel configureBlocking(boolean block)

       设置blocking模式。

boolean isBlocking()

       返回blocking模式。

 

通过register()方法，SelectableChannel可以注册到Selector上。

 

int validOps()

返回一个bit mask，表示这个channel上支持的IO操作。当前在SelectionKey中，用静态常量定义了4种IO操作的bit值：OP_ACCEPT，OP_CONNECT，OP_READ和OP_WRITE。

SelectionKey register(Selector sel, int ops)

将当前channel注册到一个Selector上并返回对应的SelectionKey。在这以后，通过调用Selector的select()函数就可以监控这个channel。ops这个参数是一个bit mask，代表了需要监控的IO操作。

SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)

这个函数和上一个的意义一样，多出来的att参数会作为attachment被存放在返回的SelectionKey中，这在需要存放一些session state的时候非常有用。

boolean isRegistered()

       该channel是否已注册在一个或多个Selector上。

 

SelectableChannel还提供了得到对应SelectionKey的方法：

 

SelectionKey keyFor(Selector sel)

返回该channe在Selector上的注册关系所对应的SelectionKey。若无注册关系，返回null。

 

Selector

Selector可以同时监控多个SelectableChannel的IO状况，是异步IO的核心。

 

Selector open()

       Selector的一个静态方法，用于创建实例。

 

在一个Selector中，有3个SelectionKey的集合：

1． key set代表了所有注册在这个Selector上的channel，这个集合可以通过keys()方法拿到。

2． Selected-key set代表了所有通过select()方法监测到可以进行IO操作的channel，这个集合可以通过selectedKeys()拿到。

3． Cancelled-key set代表了已经cancel了注册关系的channel，在下一个select()操作中，这些channel对应的SelectionKey会从key set和cancelled-key set中移走。这个集合无法直接访问。

 

以下是select()相关方法的说明：

 

int select()

监控所有注册的channel，当其中有注册的IO操作可以进行时，该函数返回，并将对应的SelectionKey加入selected-key set。

int select(long timeout)

       可以设置超时的select()操作。

int selectNow()

       进行一个立即返回的select()操作。

Selector wakeup()

       使一个还未返回的select()操作立刻返回。

 

SelectionKey

代表了Selector和SelectableChannel的注册关系。

 

Selector定义了4个静态常量来表示4种IO操作，这些常量可以进行位操作组合成一个bit mask。

 

int OP_ACCEPT

有新的网络连接可以accept，ServerSocketChannel支持这一异步IO。

int OP_CONNECT

       代表连接已经建立（或出错），SocketChannel支持这一异步IO。

int OP_READ

int OP_WRITE

       代表了读、写操作。

 

以下是其主要方法：

 

Object attachment()

返回SelectionKey的attachment，attachment可以在注册channel的时候指定。

Object attach(Object ob)

       设置SelectionKey的attachment。

SelectableChannel channel()

       返回该SelectionKey对应的channel。

Selector selector()

       返回该SelectionKey对应的Selector。

void cancel()

       cancel这个SelectionKey所对应的注册关系。

int interestOps()

       返回代表需要Selector监控的IO操作的bit mask。

SelectionKey interestOps(int ops)

       设置interestOps。

int readyOps()

       返回一个bit mask，代表在相应channel上可以进行的IO操作。

 

ServerSocketChannel

支持异步操作，对应于java.net.ServerSocket这个类，提供了TCP协议IO接口，支持OP_ACCEPT操作。

 

ServerSocket socket()

       返回对应的ServerSocket对象。

SocketChannel accept()

       接受一个连接，返回代表这个连接的SocketChannel对象。

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