Java NIO

Posted on 2019-02-10 In Java , I/O Views: Disqus: Reading time ≈ 6 mins.

一、流与块

NIO 与 IO 主要区别： I/O 与 NIO 最重要的区别是 ** 数据打包 ** 和 ** 传输 ** 的方式。NIO 是 ** 非阻塞 ** 的。
I/O 以 ** 流 ** 的方式处理数据
NIO 以 ** 块 ** 的方式处理数据

1. IO 特点

一次处理一个字节数据：一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据
创建过滤器非常容易，链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分
速度慢

2. NIO 特点

一次处理一个数据块
速度快
面向块的 I/O ** 缺少 ** 一些面向流的 I/O 所具有的 优雅性和简单性

二、通道与缓冲区

1. 通道

概念： 通道 Channel 是对原 I/O 包中的 流的模拟，可以通过它读取和写入数据。
通道与流的区别：

流只能在 ** 一个方向上 ** 移动（一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类）
通道是 双向的，可以用于读、写或者 同时用于读写

类型：

FileChannel： 从 ** 文件 ** 中读写数据
DatagramChannel： 通过 UDP 读写网络中数据
SocketChannel： 通过 TCP 读写网络中数据
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

2. 缓冲区

概念： 不会直接对通道进行读写数据，要 先经过缓冲区。
发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中。
同样地，从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。
原理： 缓冲区实质上是一个数组，但它不仅仅是一个数组。
作用： 缓冲区提供了 对数据的结构化访问，而且还可以 跟踪系统的读 / 写进程。
类型：

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

2.1. 缓冲区状态变量

capacity： 最大容量
position： 当前已经读写的字节数
limit： 可读写的容量限制（写入时为最大容量大小，读取时为当前数据大小）

状态变量的改变过程例子：

新建一个大小为 8 个字节的缓冲区，此时 position 为 0，而 limit = capacity = 8。capacity 变量不会改变，下面的讨论会忽略它。

从输入通道中读取 5 个字节数据写入缓冲区中，此时 position 为 5，limit 保持不变。

在将缓冲区的数据写到输出通道之前，需要先调用 flip () 方法，这个方法将 limit 设置为当前 position，并将 position 设置为 0。

从缓冲区中取 4 个字节到输出缓冲中，此时 position 设为 4。

最后需要调用 clear () 方法来清空缓冲区，此时 position 和 limit 都被设置为最初位置。

3. 文件 NIO 实例

public static void fastCopy(String src, String dist) throws IOException {

    /* 获得源文件的输入字节流 */
    FileInputStream fin = new FileInputStream(src);

    /* 获取输入字节流的文件通道 */
    FileChannel fcin = fin.getChannel();

    /* 获取目标文件的输出字节流 */
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream(dist);

    /* 获取输出字节流的文件通道 */
    FileChannel fcout = fout.getChannel();

    /* 为缓冲区分配 1024 个字节 */
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

    while (true) {

        /* 从输入通道中读取数据到缓冲区中 */
        int r = fcin.read(buffer);

        /* read() 返回 -1 表示 EOF */
        if (r == -1) {
            break;
        }

        /* 切换读写 */
        buffer.flip();

        /* 把缓冲区的内容写入输出文件中 */
        fcout.write(buffer);

        /* 清空缓冲区 */
        buffer.clear();
    }
}

三、选择器

非阻塞 IO： NIO 常常被叫做非阻塞 IO，主要是因为 NIO 在网络通信中的非阻塞特性被广泛使用。
Selector 监听实现多路复用：

NIO 实现了 IO 多路复用中的 Reactor 模型，一个线程 Thread 使用一个选择器 Selector 通过轮询的方式去 监听多个通道 Channel 上的事件，从而让一个线程就可以处理多个事件。
通过配置监听的通道 Channel 为非阻塞，那么当 Channel 上的 IO 事件还未到达时，Selector 就 ** 不会进入阻塞状态 ** 一直等待，而是继续轮询其它 Channel，找到 IO 事件已经到达的 Channel 执行。

良好性能： 因为创建和切换线程的开销很大，因此使用一个线程来处理多个事件而不是一个线程处理一个事件，对于 IO 密集型的应用具有很好地性能。
注意： 应该注意的是，只有套接字 Channel 才能配置为非阻塞，而 FileChannel 不能，为 FileChannel 配置非阻塞也没有意义。

1. 创建选择器

Selector selector = Selector.open();

2. 将通道注册到选择器上

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ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
ssChannel.configureBlocking(false);
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

通道必须配置为非阻塞模式，否则使用选择器就没有任何意义了，因为如果通道在某个事件上被阻塞，那么服务器就不能响应其它事件，必须等待这个事件处理完毕才能去处理其它事件，显然这和选择器的作用背道而驰
指定要注册的具体事件类型：

public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

可以看出每个事件可以被当成一个位域，从而组成事件集整数。例如：

1	int interestSet = SelectionKey.OP_READ \| SelectionKey.OP_WRITE;

3. 监听事件

int num = selector.select();
使用 select () 来监听到达的事件，它会一直阻塞直到有至少一个事件到达

4. 获取到达的事件

Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key.isAcceptable()) {
        // ...
    } else if (key.isReadable()) {
        // ...
    }
    keyIterator.remove();
}

5. 事件循环

因为一次 select () 调用不能处理完所有的事件，并且服务器端有可能需要一直监听事件，因此服务器端处理事件的代码一般会放在一个死循环内

while (true) {
    int num = selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        if (key.isAcceptable()) {
            // ...
        } else if (key.isReadable()) {
            // ...
        }
        keyIterator.remove();
    }
}

6. 套接字 NIO 实例

public class NIOServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
        ssChannel.configureBlocking(false);
        ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
        serverSocket.bind(address);

        while (true) {

            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {

                SelectionKey key = keyIterator.next();

                if (key.isAcceptable()) {

                    ServerSocketChannel ssChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();

                    // 服务器会为每个新连接创建一个 SocketChannel
                    SocketChannel sChannel = ssChannel1.accept();
                    sChannel.configureBlocking(false);

                    // 这个新连接主要用于从客户端读取数据
                    sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (key.isReadable()) {

                    SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    System.out.println(readDataFromSocketChannel(sChannel));
                    sChannel.close();
                }

                keyIterator.remove();
            }
        }
    }

    private static String readDataFromSocketChannel(SocketChannel sChannel) throws IOException {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        StringBuilder data = new StringBuilder();

        while (true) {

            buffer.clear();
            int n = sChannel.read(buffer);
            if (n == -1) {
                break;
            }
            buffer.flip();
            int limit = buffer.limit();
            char[] dst = new char[limit];
            for (int i = 0; i < limit; i++) {
                dst[i] = (char) buffer.get(i);
            }
            data.append(dst);
            buffer.clear();
        }
        return data.toString();
    }
}

public class NIOClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        String s = "hello world";
        out.write(s.getBytes());
        out.close();
    }
}

四、内存映射文件

概念： 内存映射文件 I/O 是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的 I/O 快得多。
向内存映射文件写入可能是危险的，只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。
下面代码行将文件的前 1024 个字节映射到内存中，map () 方法返回一个 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer 的子类。因此，可以像使用其他任何 ByteBuffer 一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行映射。
MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);