java NIO 詳解

2019-11-26 15:22:29

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Java NIO提供了與標準IO不同的IO工作方式：

Channels and Buffers（通道和緩沖區）：標準的IO基于字節流和字符流進行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和緩沖區（Buffer）進行操作，數據總是從通道讀取到緩沖區中，或者從緩沖區寫入到通道中。
Asynchronous IO（異步IO）：Java NIO可以讓你異步的使用IO，例如：當線程從通道讀取數據到緩沖區時，線程還是可以進行其他事情。當數據被寫入到緩沖區時，線程可以繼續處理它。從緩沖區寫入通道也類似。
Selectors（選擇器）：Java NIO引入了選擇器的概念，選擇器用于監聽多個通道的事件（比如：連接打開，數據到達）。因此，單個的線程可以監聽多個數據通道。
下面就來詳細介紹Java NIO的相關知識。

Java NIO 概述

Java NIO 由以下幾個核心部分組成：

Channels
Buffers
Selectors
雖然Java NIO 中除此之外還有很多類和組件，但在我看來，Channel，Buffer 和 Selector 構成了核心的API。其它組件，如Pipe和FileLock，只不過是與三個核心組件共同使用的工具類。因此，在概述中我將集中在這三個組件上。其它組件會在單獨的章節中講到。

Channel 和 Buffer

基本上，所有的 IO 在NIO 中都從一個Channel 開始。Channel 有點象流。數據可以從Channel讀到Buffer中，也可以從Buffer 寫到Channel中。這里有個圖示：

Channel和Buffer有好幾種類型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel
正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，以及文件IO。

與這些類一起的有一些有趣的接口，但為簡單起見，我盡量在概述中不提到它們。本教程其它章節與它們相關的地方我會進行解釋。

以下是Java NIO里關鍵的Buffer實現：

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
這些Buffer覆蓋了你能通過IO發送的基本數據類型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Java NIO 還有個 Mappedyteuffer，用于表示內存映射文件，我也不打算在概述中說明。

Selector

Selector允許單線程處理多個 Channel。如果你的應用打開了多個連接（通道），但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。例如，在一個聊天服務器中。

這是在一個單線程中使用一個Selector處理3個Channel的圖示：

要使用Selector，得向Selector注冊Channel，然后調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個注冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新連接進來，數據接收等。

Java NIO vs. IO

（本部分原文地址，作者：Jakob Jenkov，譯者：郭蕾，校對：方騰飛）
當學習了Java NIO和IO的API后，一個問題馬上涌入腦海：

引用
我應該何時使用IO，何時使用NIO呢？在本文中，我會盡量清晰地解析Java NIO和IO的差異、它們的使用場景，以及它們如何影響您的代碼設計。

Java NIO和IO的主要區別

下表總結了Java NIO和IO之間的主要差別，我會更詳細地描述表中每部分的差異。

IO NIO
Stream oriented Buffer oriented
Blocking IO Non blocking IO
Selectors

面向流與面向緩沖

Java NIO和IO之間第一個最大的區別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數據。如果需要前后移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到一個緩沖區。 Java NIO的緩沖導向方法略有不同。數據讀取到一個它稍后處理的緩沖區，需要時可在緩沖區中前后移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區中包含所有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩沖區時，不要覆蓋緩沖區里尚未處理的數據。

阻塞與非阻塞IO

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當一個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數據變的可以讀取之前，該線程可以繼續做其他的事情。非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。線程通常將非阻塞IO的空閑時間用于在其它通道上執行IO操作，所以一個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

選擇器（Selectors）

Java NIO的選擇器允許一個單獨的線程來監視多個輸入通道，你可以注冊多個通道使用一個選擇器，然后使用一個單獨的線程來“選擇”通道：這些通道里已經有可以處理的輸入，或者選擇已準備寫入的通道。這種選擇機制，使得一個單獨的線程很容易來管理多個通道。

NIO和IO如何影響應用程序的設計

無論您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您應用程序設計的以下幾個方面：

對NIO或IO類的API調用。
數據處理。
用來處理數據的線程數。
API調用

當然，使用NIO的API調用時看起來與使用IO時有所不同，但這并不意外，因為并不是僅從一個InputStream逐字節讀取，而是數據必須先讀入緩沖區再處理。

數據處理

使用純粹的NIO設計相較IO設計，數據處理也受到影響。

在IO設計中，我們從InputStream或 Reader逐字節讀取數據。假設你正在處理一基于行的文本數據流，例如：

復制代碼代碼如下:

 
Name: Anna
Age: 25
Email: anna@mailserver.com
Phone: 1234567890

該文本行的流可以這樣處理：

復制代碼代碼如下:

 
InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

String nameLine = reader.readLine();
String ageLine = reader.readLine();
String emailLine= reader.readLine();
String phoneLine= reader.readLine();

請注意處理狀態由程序執行多久決定。換句話說，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已讀完， readline()阻塞直到整行讀完，這就是原因。你也知道此行包含名稱；同樣，第二個readline()調用返回的時候，你知道這行包含年齡等。正如你可以看到，該處理程序僅在有新數據讀入時運行，并知道每步的數據是什么。一旦正在運行的線程已處理過讀入的某些數據，該線程不會再回退數據（大多如此）。下圖也說明了這條原則：

從一個阻塞的流中讀數據

而一個NIO的實現會有所不同，下面是一個簡單的例子：

復制代碼代碼如下:

 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，從通道讀取字節到ByteBuffer。當這個方法調用返回時，你不知道你所需的所有數據是否在緩沖區內。你所知道的是，該緩沖區包含一些字節，這使得處理有點困難。
假設第一次 read(buffer)調用后，讀入緩沖區的數據只有半行，例如，“Name:An”，你能處理數據嗎？顯然不能，需要等待，直到整行數據讀入緩存，在此之前，對數據的任何處理毫無意義。

所以，你怎么知道是否該緩沖區包含足夠的數據可以處理呢？好了，你不知道。發現的方法只能查看緩沖區中的數據。其結果是，在你知道所有數據都在緩沖區里之前，你必須檢查幾次緩沖區的數據。這不僅效率低下，而且可以使程序設計方案雜亂不堪。例如：

復制代碼代碼如下:

 
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buffer);
while(! bufferFull(bytesRead) ) {
bytesRead = inChannel.read(buffer);
}

bufferFull()方法必須跟蹤有多少數據讀入緩沖區，并返回真或假，這取決于緩沖區是否已滿。換句話說，如果緩沖區準備好被處理，那么表示緩沖區滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區，但必須保持在bufferFull（）方法被調用之前狀態相同。如果沒有，下一個讀入緩沖區的數據可能無法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要注意的又一問題。

如果緩沖區已滿，它可以被處理。如果它不滿，并且在你的實際案例中有意義，你或許能處理其中的部分數據。但是許多情況下并非如此。下圖展示了“緩沖區數據循環就緒”：

從一個通道里讀數據，直到所有的數據都讀到緩沖區里

總結

NIO可讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網絡連接或文件），但付出的代價是解析數據可能會比從一個阻塞流中讀取數據更復雜。

如果需要管理同時打開的成千上萬個連接，這些連接每次只是發送少量的數據，例如聊天服務器，實現NIO的服務器可能是一個優勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他計算機上，如P2P網絡中，使用一個單獨的線程來管理你所有出站連接，可能是一個優勢。一個線程多個連接的設計方案如下圖所示：

單線程管理多個連接

如果你有少量的連接使用非常高的帶寬，一次發送大量的數據，也許典型的IO服務器實現可能非常契合。下圖說明了一個典型的IO服務器設計：

一個典型的IO服務器設計：

一個連接通過一個線程處理

通道（Channel）

Java NIO的通道類似流，但又有些不同：

既可以從通道中讀取數據，又可以寫數據到通道。但流的讀寫通常是單向的。
通道可以異步地讀寫。
通道中的數據總是要先讀到一個Buffer，或者總是要從一個Buffer中寫入。
正如上面所說，從通道讀取數據到緩沖區，從緩沖區寫入數據到通道。如下圖所示：

Channel的實現

這些是Java NIO中最重要的通道的實現：

FileChannel：從文件中讀寫數據。
DatagramChannel：能通過UDP讀寫網絡中的數據。
SocketChannel：能通過TCP讀寫網絡中的數據。
ServerSocketChannel：可以監聽新進來的TCP連接，像Web服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創建一個SocketChannel。
基本的 Channel 示例

下面是一個使用FileChannel讀取數據到Buffer中的示例：

復制代碼代碼如下:

 
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf);
while (bytesRead != -1) {

System.out.println("Read " + bytesRead);
buf.flip();

while(buf.hasRemaining()){
System.out.print((char) buf.get());
}

buf.clear();
bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

注意 buf.flip() 的調用，首先讀取數據到Buffer，然后反轉Buffer,接著再從Buffer中讀取數據。下一節會深入講解Buffer的更多細節。

緩沖區（Buffer）

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道進行交互。如你所知，數據是從通道讀入緩沖區，從緩沖區寫入到通道中的。

緩沖區本質上是一塊可以寫入數據，然后可以從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，并提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內存。

Buffer的基本用法

使用Buffer讀寫數據一般遵循以下四個步驟：

寫入數據到Buffer
調用flip()方法
從Buffer中讀取數據
調用clear()方法或者compact()方法

當向buffer寫入數據時，buffer會記錄下寫了多少數據。一旦要讀取數據，需要通過flip()方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取之前寫入到buffer的所有數據。

一旦讀完了所有的數據，就需要清空緩沖區，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區：調用clear()或compact()方法。clear()方法會清空整個緩沖區。compact()方法只會清除已經讀過的數據。任何未讀的數據都被移到緩沖區的起始處，新寫入的數據將放到緩沖區未讀數據的后面。

下面是一個使用Buffer的例子：

復制代碼代碼如下:

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {

buf.flip();//make buffer ready for read

while(buf.hasRemaining()){
System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
}

buf.clear(); //make buffer ready for writing
bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

Buffer的capacity,position和limit

緩沖區本質上是一塊可以寫入數據，然后可以從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，并提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內存。

為了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三個屬性：

capacity
position
limit

position和limit的含義取決于Buffer處在讀模式還是寫模式。不管Buffer處在什么模式，capacity的含義總是一樣的。

這里有一個關于capacity，position和limit在讀寫模式中的說明，詳細的解釋在插圖后面。

capacity

作為一個內存塊，Buffer有一個固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里寫capacity個byte、long，char等類型。一旦Buffer滿了，需要將其清空（通過讀數據或者清除數據）才能繼續寫數據往里寫數據。

position

當你寫數據到Buffer中時，position表示當前的位置。初始的position值為0.當一個byte、long等數據寫到Buffer后， position會向前移動到下一個可插入數據的Buffer單元。position最大可為capacity 亚洲香蕉成人av网站在线观看_欧美精品成人91久久久久久久_久久久久久久久久久亚洲_热久久视久久精品18亚洲精品_国产精自产拍久久久久久_亚洲色图国产精品_91精品国产网站_中文字幕欧美日韩精品_国产精品久久久久久亚洲调教_国产精品久久一区_性夜试看影院91社区_97在线观看视频国产_68精品久久久久久欧美_欧美精品在线观看_国产精品一区二区久久精品_欧美老女人bb