java nio api详解
在 JDK 1.4 以前， Java 的 IO 操作集中在 java.io 这个包中，是基于流的阻塞（ blocking ） API 。对于大多数应用来说，这样的 API 使用很方便，然而，一些对性能要求较高的应用，尤其是服务端应用， 往往需要一个更为有效的方式来处理 IO 。从 JDK 1.4 起， NIO API 作为一个基于缓冲区，并能 提供非阻塞 (non-blocking)IO 操作的 API 被引入。本文对其进行深入的介绍。
NIO API 主要集中在 java.nio 和它的 subpackages 中：
java.nio
定义了 Buffer 及其数据类型相关的子类。其中被 java.nio.channels 中的类用来进行 IO 操作的 ByteBuffer 的作用非常重要。
java.nio.channels
定义了一系列处理 IO 的 Channel 接口以及这些接口在文件系统和网络通讯上的实现。通过 Selector 这个类，还提供了进行非阻塞 IO 操作的办法。这个包可以说是 NIO API 的核心。
java.nio.channels.spi
定义了可用来实现 channel 和 selector API 的抽象类。
java.nio.charset
定义了处理字符编码和解码的类。
java.nio.charset.spi
定义了可用来实现 charset API 的抽象类。
java.nio.channels.spi 和 java.nio.charset.spi 这 两个包主要被用来对现有 NIO API 进行扩展，在实际的使用中，我们一般只和另外的 3 个包打交道。下面将对这 3 个包一一介绍。
Package java.nio
这个包主要定义了 Buffer 及其子类。 Buffer 定义了一个线性存放 primitive type 数据的容器接口。对于除 boolean 以外的其他 primitive type ，都有一个相 应的 Buffer 子 类， ByteBuffer 是其中最重要的一个子类。
下面这张 UML 类图描述了 java.nio 中的类的关系：
Buffer
定义了一个可以线性存放 primitive type 数据的容器接口。 Buffer 主要包含了与类型（ byte, char… ）无关的功能。值得 注意的是 Buffer 及其子类都不是线程安全的。
每个 Buffer 都有以下的属性：
capacity
这个 Buffer 最多能放多少数据。 capacity 一般在 buffer 被创建的时候指定。
limit
在 Buffer 上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到 buffer 中时， limit 一般和 capacity 相等，当读数据时， limit 代表 buffer 中有效数据的长度。
position
读 / 写操作的当前下标。当使用 buffer 的相对位置进行读 / 写操作时，读 / 写会从这个下标进行，并在操作完成后， buffer 会更新下标的值。
mark
一个临时存放的位置下标。调用 mark() 会将 mark 设为当前的 position 的值，以后调用 reset() 会将 position 属性设置为 mark 的值。 mark 的值总是小于等于 position 的值，如果将 position 的值设的比 mark 小，当前的 mark 值会被抛弃掉。
这些属性总是满足以下条件：
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
limit 和 position 的值除了通过 limit() 和 position() 函数来设置，也可以通 过下面这些函数来改变：
Buffer clear()
把 position 设为 0 ，把 limit 设为 capacity ，一般在把数据写入 Buffer 前调用。
Buffer flip()
把 limit 设为当前 position ，把 position 设为 0 ，一般在从 Buffer 读出数据前调用。
Buffer rewind()
把 position 设为 0 ， limit 不变，一般在把数据重写入 Buffer 前调用。
Buffer 对象有可能是只读的，这时，任何 对该对象的写操作都会触发一个 ReadOnlyBufferException 。 isReadOnly() 方法可以用来判断一个 Buffer 是否只读。
ByteBuffer
在 Buffer 的子类中， ByteBuffer 是一个地位较为特殊的类，因为在 java.io.channels 中定义的各种 channel 的 IO 操作基本上都是围绕 ByteBuffer 展开的。
ByteBuffer 定义了 4 个 static 方法来做创建工作：
ByteBuffer allocate(int capacity)
创建一个指定 capacity 的 ByteBuffer 。
ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
创建一个 direct 的 ByteBuffer ，这样的 ByteBuffer 在参与 IO 操作时性能会更好（很有可能是在底层的实现使用了 DMA 技术），相应的，创建和回收 direct 的 ByteBuffer 的代价也会高一些。 isDirect() 方法可以检查一个 buffer 是否是 direct 的。
ByteBuffer wrap(byte [] array)
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)
把一个 byte 数组或 byte 数组的一部分包装成 ByteBuffer 。
ByteBuffer 定义了一系列 get 和 put 操作来从中读写 byte 数据，如下面几个：
byte get()
ByteBuffer get(byte [] dst)
byte get(int index)
ByteBuffer put(byte b)
ByteBuffer put(byte [] src)
ByteBuffer put(int index, byte b)
这些操作可分为绝对定位和相对定为两种，相对定位的读写操作依靠 position 来定位 Buffer 中的位置，并在操作完成后会更 新 position 的 值。
在其它类型的 buffer 中，也定义了相同的函数来读写数据，唯一不同的就是一些参数和返回值的类型。
除了读写 byte 类型数据的函数， ByteBuffer 的一个特别之处是它还定义了读写其它 primitive 数据的方法，如：
int getInt()
从 ByteBuffer 中读出一个 int 值。
ByteBuffer putInt(int value)
写入一个 int 值到 ByteBuffer 中。
读写其它类型的数据牵涉到字节序问题， ByteBuffer 会按其字节序（大字节序或小字节序）写入或读出一个其它类型的数据（ int,long… ）。字节序可以用 order 方法来取得和设置：
ByteOrder order()
返回 ByteBuffer 的字节序。
ByteBuffer order(ByteOrder bo)
设置 ByteBuffer 的字节序。
ByteBuffer 另一个特别的地方是可以 在它的基础上得到其它类型的 buffer 。如：
CharBuffer asCharBuffer()
为当前的 ByteBuffer 创建一个 CharBuffer 的视图。在该视图 buffer 中的读写操作会按照 ByteBuffer 的字节序作用到 ByteBuffer 中的数据上。
用这类方法创建出来的 buffer 会从 ByteBuffer 的 position 位置开始到 limit 位置结束，可以看作是这段数据的视图。视图 buffer 的 readOnly 属性和 direct 属性与 ByteBuffer 的一致，而且也只有通过这种方法，才可以得到其他数据类型的 direct buffer 。
ByteOrder
用来表示 ByteBuffer 字节序的类，可将其看成 java 中的 enum 类型。主要定义了下面几个 static 方法和属性：
ByteOrder BIG_ENDIAN
代表大字节序的 ByteOrder 。
ByteOrder LITTLE_ENDIAN
代表小字节序的 ByteOrder 。
ByteOrder nativeOrder()
返回当前硬件平台的字节序。
MappedByteBuffer
ByteBuffer 的子类，是文件内容在内 存中的映射。这个类的实例需要通过 FileChannel 的 map() 方法来创建。
接下来看看一个使用 ByteBuffer 的例子，这个例子从标准输入不停地读入字符，当读满一行后，将收集的字符写到标准输出：
| public static void main(String [] args) throws IOException { // 创建一个 capacity 为 256 的 ByteBuffer ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256); while ( true ) { // 从标准输入流读入一个字符 int c = System.in.read(); // 当读到输入流结束时，退出循环 if (c == -1) break ;
// 把读入的字符写入 ByteBuffer 中 buf.put(( byte ) c); // 当读完一行时，输出收集的字符 if (c == '\n' ) { // 调用 flip() 使 limit 变为当前的 position 的值 ,position 变为 0, // 为接下来从 ByteBuffer 读取做准备 buf.flip(); // 构建一个 byte 数组 byte [] content = new byte [buf.limit()]; // 从 ByteBuffer 中读取数据到 byte 数组中 buf.get(content); // 把 byte 数组的内容写到标准输出 System.out.print( new String(content)); // 调用 clear() 使 position 变为 0,limit 变为 capacity 的值， // 为接下来写入数据到 ByteBuffer 中做准备 buf.clear(); } } } |
Package java.nio.channels
这个包定义了 Channel 的概念， Channel 表现了一个可以进行 IO 操作的通道（比如，通过 FileChannel ，我们可以对文件进行读写操作）。 java.nio.channels 包含了文件系统和网络通讯相关的 channel 类。这个包通过 Selector 和 SelectableChannel 这两个类，还定义了一个进行非阻塞（ non-blocking ） IO 操作的 API ，这对需要高性能 IO 的应用非常重要。
下面这张 UML 类图描述了 java.nio.channels 中 interface 的关系：
Channel
Channel 表现了一个可以进行 IO 操作的通道，该 interface 定义了以下方法：
boolean isOpen()
该 Channel 是否是打开的。
void close()
关闭这个 Channel ，相关的资源会被释放。
ReadableByteChannel
定义了一个可从中读取 byte 数据的 channel interface 。
int read(ByteBuffer dst)
从 channel 中读取 byte 数据并写到 ByteBuffer 中。返回读取的 byte 数。
WritableByteChannel
定义了一个可向其写 byte 数据的 channel interface 。
int write(ByteBuffer src)
从 ByteBuffer 中读取 byte 数据并写到 channel 中。返回写出的 byte 数。
ByteChannel
ByteChannel 并没有定义新的方法， 它的作用只是把 ReadableByteChannel 和 WritableByteChannel 合并在一起。
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：
非阻塞 IO
非阻塞 IO 的支持可以算是 NIO API 中最重要的功能，非阻塞 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 以支持非阻塞 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 中非阻塞 IO 的一个例子，这段 code 使用了非阻塞 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，这样才能进行非阻塞 IO 操作 ssc.configureBlocking( false );
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