Chapter 15 . Java NIO

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Chapter 15 . Java NIO

15.1 Java NIO 简介

Java NIO（New IO） 是从Java 1.4版本开始引入的
一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。
NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用
的方式完全不同， NIO支持面向缓冲区的、基于
通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文
件的读写操作。

Java NIO 与 IO 的主要区别

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15.2 通道（Channel）与缓冲区（Buffer）

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区
(Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、
套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取
用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲
区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

简而言之， Channel 负责传输， Buffer 负责存储

缓冲区（Buffer）

缓冲区（Buffer） ：一个用于特定基本数据类
型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区
都是 Buffer 抽象类的子类。
l Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行
交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写
入通道中的。

Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根
据数据类型不同(boolean 除外) ，有以下 Buffer 常用子类：

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

上述 Buffer 类 他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自
管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer
对象：

static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为 capacity 的 XxxBuffer 对象

缓冲区的基本属性

Buffer 中的重要概念：

• 容量 (capacity) ： 表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创
  建后不能更改。

• 限制 (limit)： 第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据
  不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。

• 位置 (position)： 下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为
  负，并且不能大于其限制

• 标记 (mark)与重置 (reset)： 标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法
  指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position.

标记、 位置、 限制、 容量遵守以下不变式：

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

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Buffer 的常用方法

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缓冲区的数据操作

Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法：

get()与 put() 方法获取 Buffer 中的数据

get() ：读取单个字节

get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中

get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)放入数据到 Buffer 中

put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置

put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置

put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)

直接与非直接缓冲区

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通道（Channel）

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义
的。 Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。
Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel
本身不能直接访问数据， Channel 只能与
Buffer 进行交互。

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Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下：

• FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。

• DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。

• SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。

• ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来 的连接都会创建一个 SocketChannel

获取通道

获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用

getChannel() 方法。支持通道的类如下：

• FileInputStream
• FileOutputStream
• RandomAccessFile
• DatagramSocket
• Socket
• ServerSocket

获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获
取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。

通道的数据传输

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15.3 分散(Scatter)和聚集(Gather)

分散读取（Scattering Reads）是指从 Channel 中读取的数据“分
散” 到多个 Buffer 中。

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注意：按照缓冲区的顺序，从 Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。

聚集写入（Gathering Writes）是指将多个 Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。

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注意：按照缓冲区的顺序，写入 position 和 limit 之间的数据到 Channel 。

transferFrom()

将数据从源通道传输到其他 Channel 中

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transferTo()

将数据从源通道传输到其他 Channel 中：

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FileChannel 的常用方法

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15.4 NIO 的非阻塞式网络通信

阻塞与非阻塞

传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或写入，该线程在此期间不 能执行其他任务。

因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会 阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理， 当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。

Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数
据可用时，该线程可以进行其他任务。

线程通常将非阻塞 IO 的空闲时
间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入
和输出通道。因此， NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同
时处理连接到服务器端的所有客户端。

选择器（Selector）

选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器， Selector 可
以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector
可使一个单独的线程管理多个 Channel。 Selector 是非阻塞 IO 的核心

SelectableChannle 的结构如下图：

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选择器（Selector）的应用

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当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器
对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。
l 可以监听的事件类型（可使用 SelectionKey 的四个常量表示）：

• 读 : SelectionKey.OP_READ （1）

• 写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

• 连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

• 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。
例：

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SelectionKey

当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器
对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。

可以监听的事件类型（可使用 SelectionKey 的四个常量表示）：

• 读 : SelectionKey.OP_READ （1）

• 写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

• 连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

• 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。
例：

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SelectionKey： 表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向
选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。 选择键包含两个表示为整
数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操
作

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Selector 的常用方法

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15.5 SocketChannel

Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网
络套接字的通道。

操作步骤：

• 打开 SocketChannel

• 读写数据

• 关闭 SocketChannel

Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以
监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中
的ServerSocket一样。

DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发
UDP包的通道。

操作步骤：

• 打开 DatagramChannel

• 接收/发送数据

管道 (Pipe)

Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。
Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会
被写到sink通道，从source通道读取。

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向管道写数据

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15.6 Path、 Paths、 Files

随着 JDK 7 的发布， Java对NIO进行了极大的扩
展，增强了对文件处理和文件系统特性的支持，
以至于我们称他们为 NIO.2。因为 NIO 提供的
一些功能， NIO已经成为文件处理中越来越重
要的部分。

java.nio.file.Path 接口代表一个平台无关的平台路径，描述了目
录结构中文件的位置。

Paths 提供的 get() 方法用来获取 Path 对象：

Path get(String first, String … more) : 用于将多个字符串串连成路径。

Path 常用方法：

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Files 类

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自动资源管理

Java 7 增加了一个新特性，该特性提供了另外
一种管理资源的方式，这种方式能自动关闭文
件。这个特性有时被称为自动资源管理
(Automatic Resource Management, ARM)，

该特性以 try 语句的扩展版为基础。自动资源管理
主要用于，当不再需要文件（或其他资源）时，
可以防止无意中忘记释放它们

自动资源管理基于 try 语句的扩展形式：

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