Java-NIO

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前言

NIO面向块（整个缓冲区）
有所有基本类型的Buffer支持
提供新的I/O抽象：Channel
支持锁和内存映射文件的文件访问接口
多路复用非阻塞式的高伸缩性I/O（原来的是阻塞的）🖊

NIO的特性

NIO面向块（整个缓冲区）
有所有基本类型的Buffer支持
提供新的I/O抽象：Channel
支持锁和内存映射文件的文件访问接口
多路复用非阻塞式的高伸缩性I/O（原来的是阻塞的）

NIO的目的

提供高速的I/O而无需编写自定义的本机代码。NIO将最耗时的I/O操作（填充和提取缓冲区）转移到操作系统中，极大提高了运行速度。

原来的I/O是通过流一个一个字节输出和读取的，而NIO是一次产生或消费一个数据块，比流更快。

阻塞、非阻塞、同步、异步

阻塞和非阻塞：针对进程在访问数据时，数据是否已经准备就绪的的一种处理方式

阻塞：数据还没准备好时，要等待缓冲区中的数据准备好过后才能处理其他的事情，否则一直等在那里。

非阻塞：当进程访问数据缓冲区时，数据没准备好的话，直接返回不是要等待，有数据时也直接返回。

异步和同步：针对应用和操作系统处理锁采用的方式

如：同步需要应用程序直接参与到IO读写的操作，而异步IO交给操作系统处理，程序可以做其他的事情。同步IO必须阻塞在某个方法上等待IO完成

NIO采用轮询模式（select模式（多路复用模式））这是个同步非阻塞的模式，把读写时间交给单个线程处理，不断轮询读写缓冲区，检查数据是否已经准备好。之后再通知相应的读写线程。这样的话其他线程就可以做其他事情，只阻塞select的线程。

NIO缓冲区

是一个包含了一个数组的对象，除了数组之外，还有几个信息：

  1. 容量capacity：创建缓冲时确定，不可改变
  2. 上界limit：缓冲区中现存元素的计数
  3. 位置position：下一个要被读/写的元素索引，会被get和put自动更新
  4. 标记mark：备忘位置，需要设定。

有7种缓冲区（除boolean以外的基本类型缓冲区）。

创建缓冲区

1. 静态工厂方法allocate

缓冲区类都是抽象类，但是有定义一个静态工厂方法来创建相应的缓冲区实例。
如：

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CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(100);

2. wrap()使用已存在的数组作为缓冲区

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char [] myArray = new char[100];
CharBuffer charbuffer = CharBuffer.wrap(myArray);

复制缓冲区

缓冲区不限于管理数组中的外部数据，也可以管理其他缓冲区的外部数据，这种缓冲区称为视图缓冲器。大多数视图缓冲器都是ByteBuffer的视图。

如下：

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ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuffer = buff.asIntBuffer();

Duplicate()复制缓冲区

Duplicate()创建一个与原始缓冲区相似的新缓冲区，共享数据元素（共用同一个数组，拥有同样的数据视图，并不是真正的复制），拥有相同容量，但是有各自的位置、上界、标记属性。若原缓冲区为只读或直接缓冲，新的缓冲区也会继承这些属性。

对一个缓冲区的数据元素做改变会反映在另一个缓冲区上。

clear()

一般用于需要重新使用缓冲区时的重置pos

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CharBuffer charbuffer = CharBuffer.allocate(100);
charbuffer.claer();	// pos = 0;

flip()

缓冲区反转，一般用于需要重新使用缓冲区时的重置pos

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CharBuffer charbuffer = CharBuffer.allocate(100);
charbuffer.flip();	// limit = pos; pos = 0;

通道Channel

Channel用于字节缓冲区和位于通道的另一个实体（通常是一个文字或者一个套接字）之间有效的传输数据。
通道是一种途径，是访问系统I/O服务的导管。借助通道可以用最小的开销访问操作系统本身的I/O服务。缓冲区则是通道内部用来发送和接收数据的端点。

通道的API由接口指定，具体的实现是native的，不同的操作系统的通道实现有根本的差异，但都是直接访问操作系统底层的I/O服务。

通道基础

  • 通道可以以阻塞或非阻塞模式进行。（只有面向流的通道像sockets和pipie才能使用非阻塞模式，而文件通道总是阻塞的）
    • 非阻塞模式不会让调用的线程休眠。请求的操作要么立即完成，要么返回一个结果表明没进行操作。
  • 通道会连接一个特定I/O服务且通道实例的性能受限于它所连接的I/O服务特征。如：一个连接到只读文件的Channel实例不能进行写操作

关闭通道 close()

我们可以通过调用close()方法来关闭通道；

一个打开的通道代表与一个特定I/O服务的特定连接，并封装该连接的状态。当通道关闭时，这个连接会丢失，然后通道将不再连接任何东西。

可以通过isOpen()方法来判断通道是否打开，如果对关闭的通道进行读写等操作，会导致ClosedChannelException异常；

另外，如果一个通道实现了InterruptibleChannel接口，那么，当该通道上的线程被中断时，通道会被关闭，且该线程会抛出ClosedByInterruptException异常；

Channel分类

I/O服务广义可分为两类：File I/O 和 Stream I/O。Channel也分为了两类：文件File通道和套接字socket通道

文件通道

1. FileChannel

文件通道总是阻塞的，不能被设置为非阻塞模式。

  • FileChannel 对象只能通过在一个打开的文件流对象：RandomAccessFile、FileInpurStream、FileOutputStream对象上调用getChannel() 方法来获取，不能直接创建。getChannel会返回一个连接到相同文件的FileChannel对象且该对象具有与file对象相同的访问权限。
  • 通道会连接一个特定I/O服务且通道实例的性能受限于它所连接的I/O服务特征。一个连接到只读文件的Channel实例不能进行写操作
  • FileChannel 对象是线程安全的。（它有多线程的操作，也有单线程串行的操作，像影响文件大小和位置的操作就是单线程串行的，即写锁读锁的问题）

创建文件通道 getChannel()

FileChannel 对象只能通过在一个打开的文件流对象：RandomAccessFile、FileInpurStream、FileOutputStream对象上调用getChannel() 方法来获取，不能直接创建。

使用文件通道 read() write() position()

使用 FileChannel 的 read() 和 write() 方法进行文件访问，配合position() 进行文件操作。

  • FileChannel 位置 (position) 是底层的文件描述符获取的，由所有该文件的FileChannel对象共享可见。

position 决定文件读写的位置，当字节被read() 或 write() 时，position会自动更新。

当read() 方法到了文件大小的值时，会返回文件尾条件值（-1）

write时position超过文件大小时，文件会自动扩展来容纳新字节。

write() 前一般要 flip()

套接字(socket)通道

可设置为非阻塞模式。非阻塞模式使管理维护多个socket通道变得更容易，无需把过多的性能开销耗费在切换管理socket的线程上。

  • Socket通道在实例化时都会创建一个对等的socket对象（对应Socket，ServerSocket，DatagramSocket）

  • Channel可以通过getSocket()获取其对等的socket对象。

  • socket可以通过getChannel()方法获取其对应的Channel（不是所有的socket都会有关联的通道，若使用传统方法（直接实例化）创建一个Socket对象，就不会关联Channel，而且getChannel返回null）

1. SocketChannel

SocketChannel创建的时候会自动串联一个对等的Socket对象。

使用SocketChannel 的connect()方法将通道连接。可以用isConnected()判断通道的连接状态。

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SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://127.0.0.1", 80));

connect下也有阻塞和非阻塞模式
阻塞模式下 connect() 会一直等待连接到服务器上连接建立（直接使用socket调用connect也是阻塞的）
非阻塞模式下 connect() 会立即返回值true或false（如果连接不能建立，connect()方法会返回false且异步地继续连接建立的过程。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()方法判断是否连接完毕。如下：

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socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://127.0.0.1", 80));

while(! socketChannel.finishConnect() ){	\\ 直到连接成功就退出自旋
    //wait, or do something else...
}

2. ServerSocketChannel

和ServerSocket大概一致，多了通道语义。

  • 在阻塞模式下，调用ServerSocketChannel的accept()会像serverSocket一样一直阻塞直到监听到连接返回一个SocketChannel对象。

  • 在非阻塞模式下，在无传入连接等待时，调用accept()会立即返回null（从而实现可伸缩性，降低复杂性，实现可选择性）

  • //，一般会使用选择器来创建ServerSocketChannel对象和监听事件并通知。
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3. DatagramChannel

设置非阻塞模式 configureBlocking(false)

使用configureBlocking()传参false即为非阻塞模式，反之为阻塞模式。

可以通过isBlocking()判断当前socket通道在哪种模式下

创建socket通道 open()

  1. 调用对应Socket通道类的静态工厂方法open()创建
  2. 创建的时候会返回一个未绑定socket的channel对象，需要后续自己绑定socket

选择器

所有SocketChannel都是可选择的，而FileChannel是不可选择的。一个通道可以被注册到多个选择器上

通道在注册到选择器上之前，要设置为非阻塞模式

选择键SelectionKey

有四个常量：

  1. OP_READ 1
  2. OP_WRITE 4
  3. OP_CONNECT 8
  4. OP_CONNECT 16

四个值相加的和都不一样，可以通过validOps()方法返回值确定SelectableChannel支持的操作

通道关闭时，所有对应的选择键会被自动取消，选择器关闭之后，其上通道都会被注销

keys()返回已注册的键

selectedKeys()返回已被选择的键

cancel()返回已经被调用过的键（无效化了）但还没被注销

使用步骤

创建选择器 Selector.open()

通道向选择器注册事件 SelectableChannel.register(Selector, SelectionKey)*

从选择器中获取事件

根据不同的事件做相应的处理

注册选择器 register()

SelectableChannel.register(Selector, SelectionKey)

该通道必须设置为非阻塞模式！

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Selector selector = Selector.open();

本文标题:Java-NIO

文章作者:Aaron.H

发布时间:2018年09月02日 - 12:09

最后更新:2018年09月07日 - 08:09

原始链接:https://uncleaaron.github.io/Blog/Java/Java-NIO/

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