Java中的NIO

作者: cp_insist | 来源:发表于2017-01-10 17:03 被阅读0次

引言：NIO是Java面试中老生常谈的一个话题，No-Block-IO(非阻塞IO)；今天专花了一天时间将并发变成网站上便于NIO的东西全看了一遍，下面算是自己的一个学习笔记，方便以后回顾：

一：NIO简介

1：基本概念nio 是non-blocking的简称，在jdk1.4 里提供的新api 。Sun 官方标榜的特性如下：为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持。字符集编码解码解决方案。
Channel ：一个新的原始I/O 抽象。支持锁和内存映射文件的文件访问接口。提供多路(non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络I/O 。
2：几个核心类
- A：channel
- B：buffer
- C：selector
  2.1：channel：NIO中的通道，类比于JavaIO就相当于JavaIO中的流；基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。
  2.2：buffer：Buffer 类是 java.nio 的构造基础。一个 Buffer 对象是固定数量的数据的容器，其作用是一个存储器，或者分段运输区，在这里，数据可被存储并在之后用于检索。缓冲区可以被写满或释放。对于每个非布尔原始数据类型都有一个缓冲区类，即 Buffer 的子类有：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和 ShortBuffer，是没有 BooleanBuffer 之说的。Java NIO 还有个 MappedByteBuffer，用于表示内存映射文件
- 缓冲区的四个属性：
- 1：容量(Capacity)：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变。
- 2：上界(Limit)：缓冲区的第一个不能被读或写的元素。缓冲创建时，limit 的值等于 capacity 的值。假设 capacity = 1024，我们在程序中设置了 limit = 512，说明，Buffer 的容量为 1024，但是从 512 之后既不能读也不能写，因此可以理解成，Buffer 的实际可用大小为 512。
- 3：”位置(Position)：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get() 和 put() 函数更新。
- 4：标记(Mark)：一个备忘位置
2.3：selector：允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。

overview-selectors.png

二：具体用法：

2.1：Buffer的基本用法
使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：
1:写入数据到Buffer
2:调用flip()方法
3:从Buffer中读取数据
4:调用clear()方法或者compact()方法
当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。
一个小Demo：

public class deme1Nio {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("F:\\1.txt");
        try {
            RandomAccessFile randomfile  = new RandomAccessFile(file, "rw");
            FileChannel channel = randomfile.getChannel();
            ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(48);
            int data = channel.read(buff);
            while(data!=-1){
                //去读到文件的最后位置，安字节算的；换行：算两个字节
                int pos = buff.position();
                System.out.println(",pos="+pos);
                System.out.println(data);
                //切换到读模式
                buff.flip();
                while(buff.hasRemaining()){ 
                    byte[] bytes = new byte[pos];
                    buff.get(bytes);
                    System.out.print(new String(bytes,"GBK"));
                }
                buff.clear();
                data = channel.read(buff);
            }
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.2：聚合和分散：
聚合：写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。
分撒：从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。
应用：读取报文头信息和报文体信息时；

File file1 = new File("f:\\1.txt"); 
        FileInputStream in1;
        try {
            in1 = new FileInputStream(file1);
            FileChannel channel1 = in1.getChannel();
             //用来存储头部信息
            ByteBuffer head = ByteBuffer.allocate(5);
             //用来存储区body信息
            ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
            //将两个信息整合在一起
            ByteBuffer[] arr = {head,body};
            long data1 = channel1.read(arr);
            while(data1!=-1){
                head.flip();
                while(head.hasRemaining()){ 
                    byte[] he = new byte[head.limit()];
                    head.get(he);
                    System.out.println("头部信息为"+new String(he,"gbk"));
                }
                body.flip();
                while(body.hasRemaining()){
                    byte[] bo = new byte[body.limit()];
                    body.get(bo);
                    System.out.println("内容体信息为"+new String(bo,"gbk"));
                }
                head.compact();
                body.compact();
                data1 = channel1.read(arr);
            }
            
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        
    }
    public static void writeCombine(){
        File file1 = new File("f:\\2.txt"); 
        RandomAccessFile in1;
        try {
            in1 = new RandomAccessFile(file1,"rw");
             
            FileChannel channel1 = in1.getChannel();
             //用来存储头部信息
            ByteBuffer head = ByteBuffer.allocate(5);
            head.put("99999".getBytes());
             //用来存储区body信息
            ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
            body.put("1111111111".getBytes());
            //将两个信息整合在一起
            ByteBuffer[] arr = {head,body};
            head.flip();
            body.flip();
            channel1.write(arr);
            channel1.close();
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }

2.3:通道之间传输数据：
transfromFrom()和transfromTo()方法的使用；
FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中；
transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中

public class demo3Transform {
    public static void trasfromF(){
        File  file1 = new File("F:\\1.txt");
        File  file2 = new File("F:\\2.txt");
        try {
            RandomAccessFile rfile1 = new RandomAccessFile(file1, "rw");
            RandomAccessFile rfile2 = new RandomAccessFile(file2, "rw");
            FileChannel channel1 = rfile1.getChannel();
            FileChannel channel2 = rfile2.getChannel();
            long position = channel2.position();
            long size = channel2.size();
            //将channel2的内容复制到channel1中去；（从1的position的位置开始）
            channel1.transferFrom(channel2, 2, size);
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void trasfromT(){
        File  file1 = new File("F:\\1.txt");
        File  file2 = new File("F:\\2.txt");
        try {
            RandomAccessFile rfile1 = new RandomAccessFile(file1, "rw");
            RandomAccessFile rfile2 = new RandomAccessFile(file2, "rw");
            FileChannel channel1 = rfile1.getChannel();
            FileChannel channel2 = rfile2.getChannel();
            long position = channel2.position();
            long size = channel2.size();
            //将channel1的内容复制到channel2中去；（从2的position的位置开始，赋值2那么长）
            channel1.transferTo(position, size, channel2);
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
      public static void main(String[] args) {
          demo3Transform.trasfromT();
      }
}

2.4:selector的使用；
仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。
但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。不管怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另一篇不同的文章中。在这里，只要知道使用Selector能够处理多个通道就足够了。
1：Selector的创建
通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：
elector selector = Selector.open();
2：向Selector注册通道
为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：
- 1：channel.configureBlocking(false);
- 2：SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);
  与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。
3：SelectionKey
在上一小节中，当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些属性：
- interest集合
- ready集合
- Channel
- Selector
- 附加的对象（可选）
  下面我会描述这些属性。
- interest集合
  可以通过SelectionKey读写interest集合
- ready集合
  ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready的set集合。
- 附加的对象
  可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。
- 通过Selector选择通道
  一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。
  下面是select()方法：
  - int select()
  - int select(long timeout)
  - int selectNow()
  - select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
  - select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
  - selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回
    select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪
- selectedKeys()
  一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator(); 
while(keyIterator.hasNext()) {    
    SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable())       
  // a connection was accepted by a ServerSocketChannel. 
} else if (key.isConnectable()) {
// a connection was established with a remote server.   
}else if (key.isReadable()) {
// a channel is ready for reading
} else if(key.isWritable()) {   
// a channel is ready for writing
}  
keyIterator.remove();
}

四：IO和NIO

1：区别：

IO和NIO的区别.png

Java中的NIO

一：NIO简介

二：具体用法：

四：IO和NIO

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