NIO

一、基本概念描述

1.1 I/O简介

I/O即输入输出，是计算机与外界世界的一个借口。IO操作的实际主题是操作系统。在java编程中，一般使用流的方式来处理IO，所有的IO都被视作是单个字节的移动，通过stream对象一次移动一个字节。流IO负责把对象转换为字节，然后再转换为对象。

关于Java IO相关知识请参考我的另一篇文章：Java IO 详解

1.2 什么是NIO

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO主要用到的是块，所以NIO的效率要比IO高很多。

在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO，本篇文章重点介绍标NIO，关于网络编程NIO请见Java NIO详解（二）。

1.3 流与块的比较

NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式。IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。

面向流的IO一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节。为流式数据创建过滤器就变得非常容易，链接几个过滤器，以便对数据进行处理非常方便而简单，但是面向流的IO通常处理的很慢。

面向块的IO系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多，但面向块的IO缺少了面向流IO所具有的有雅兴和简单性。

二、NIO基础

Buffer和Channel是标准NIO中的核心对象（网络NIO中还有个Selector核心对象，具体请参考Java NIO详解（二）），几乎每一个IO操作中都会用到它们。

Channel是对原IO中流的模拟，任何来源和目的数据都必须通过一个Channel对象。一个Buffer实质上是一个容器对象，发给Channel的所有对象都必须先放到Buffer中；同样的，从Channel中读取的任何数据都要读到Buffer中。

2.1 关于Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或读出的数据。在NIO中，数据是放入buffer对象的，而在IO中，数据是直接写入或者读到Stream对象的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作，而必须通过 Buffer 来进行，即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的。

在NIO中，所有的数据都是用Buffer处理的，它是NIO读写数据的中转池。Buffer实质上是一个数组，通常是一个字节数据，但也可以是其他类型的数组。但一个缓冲区不仅仅是一个数组，重要的是它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。

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。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法会清空整个缓冲区。compact() 方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

Buffer主要有如下几种：

[图片上传失败...(image-3bdd2a-1514216408916)]

2.3 关于Channel

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比还有一些不同：

  1. Channel是双向的，既可以读又可以写，而流是单向的
  2. Channel可以进行异步的读写
  3. 对Channel的读写必须通过buffer对象

正如上面提到的，所有数据都通过Buffer对象处理，所以，您永远不会将字节直接写入到Channel中，相反，您是将数据写入到Buffer中；同样，您也不会从Channel中读取字节，而是将数据从Channel读入Buffer，再从Buffer获取这个字节。

因为Channel是双向的，所以Channel可以比流更好地反映出底层操作系统的真实情况。特别是在Unix模型中，底层操作系统通常都是双向的。

这里写图片描述

在Java NIO中Channel主要有如下几种类型：

  • FileChannel：从文件读取数据的
  • DatagramChannel：读写UDP网络协议数据
  • SocketChannel：读写TCP网络协议数据
  • ServerSocketChannel：可以监听TCP连接

三、从理论到实践：NIO中的读和写

IO中的读和写，对应的是数据和Stream，NIO中的读和写，则对应的就是通道和缓冲区。NIO中从通道中读取：创建一个缓冲区，然后让通道读取数据到缓冲区。NIO写入数据到通道：创建一个缓冲区，用数据填充它，然后让通道用这些数据来执行写入。

3.1 从文件中读取

我们已经知道，在NIO系统中，任何时候执行一个读操作，您都是从Channel中读取，而您不是直接从Channel中读取数据，因为所有的数据都必须用Buffer来封装，所以您应该是从Channel读取数据到Buffer。

因此，如果从文件读取数据的话，需要如下三步：

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 从Channel读取数据到Buffer

下面我们看一下具体过程：

第一步：获取通道

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();

第二步：创建缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

第三步：将数据从通道读到缓冲区

fc.read( buffer );

3.2 写入数据到文件

类似于从文件读数据，

第一步：获取一个通道

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();

第二步：创建缓冲区，将数据放入缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
 buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();

第三步：把缓冲区数据写入通道中

fc.write( buffer );

3.3 读写结合

CopyFile是一个非常好的读写结合的例子，我们将通过CopyFile这个实力让大家体会NIO的操作过程。CopyFile执行三个基本的操作：创建一个Buffer，然后从源文件读取数据到缓冲区，然后再将缓冲区写入目标文件。

/**
 * 用java NIO api拷贝文件
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //声明源文件和目标文件
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //获得传输通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //获得容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判断是否读完文件
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重设一下buffer的position=0，limit=position
                buffer.flip();
                //开始写
                outChannel.write(buffer);
                //写完要重置buffer，重设position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}

四、需要注意的点

上面程序中有三个地方需要注意

4.1 检查状态

当没有更多的数据时，拷贝就算完成，此时 read() 方法会返回 -1 ，我们可以根据这个方法判断是否读完。

int r= fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
     break;
     }

4.2 Buffer类的flip、clear方法

控制buffer状态的三个变量

  • position：跟踪已经写了多少数据或读了多少数据，它指向的是下一个字节来自哪个位置
  • limit：代表还有多少数据可以取出或还有多少空间可以写入，它的值小于等于capacity。
  • capacity：代表缓冲区的最大容量，一般新建一个缓冲区的时候，limit的值和capacity的值默认是相等的。

flip、clear这两个方法便是用来设置这些值的。

flip方法

我们先看一下flip的源码：

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
 }
这里写图片描述

在上面的FileCopy程序中，写入数据之前我们调用了buffer.flip();方法，这个方法把当前的指针位置position设置成了limit，再将当前指针position指向数据的最开始端，我们现在可以将数据从缓冲区写入通道了。 position 被设置为 0，这意味着我们得到的下一个字节是第一个字节。 limit 已被设置为原来的 position，这意味着它包括以前读到的所有字节，并且一个字节也不多。

clear方法

先看一下clear的源码：

 public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}
这里写图片描述

在上面的FileCopy程序中，写入数据之后也就是读数据之前，我们调用了

buffer.clear();方法，这个方法重设缓冲区以便接收更多的字节。上图显示了在调用 clear() 后缓冲区的状态。

转载请说明出处，原文链接：http://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/48160753
在我的上一篇文章JavaNIO详解（一）中介绍了关于标准输入输出NIO相关知识， 本篇将重点介绍基于网络编程NIO（异步IO）。

异步IO

异步 I/O 是一种没有阻塞地读写数据的方法。通常，在代码进行

read()

调用时，代码会阻塞直至有可供读取的数据。同样，

write()调用将会阻塞直至数据能够写入，关于同步的IO请参考另一篇文章Java IO。

另一方面，异步 I/O 调用不但不会阻塞，相反，您可以注册对特定 I/O 事件诸如数据可读、新连接到来等等，而在发生这样感兴趣的事件时，系统将会告诉您。

异步 I/O 的一个优势在于，它允许您同时根据大量的输入和输出执行 I/O。同步程序常常要求助于轮询，或者创建许许多多的线程以处理大量的连接。使用异步 I/O，您可以监听任何数量的通道上的事件，不用轮询，也不用额外的线程。

Selector

在我的JavaNIO详解（一）中已经详细介绍了Java NIO三个核心对象中的Buffer和Channel，现在我们就重点介绍一下第三个核心对象Selector。Selector是一个对象，它可以注册到很多个Channel上，监听各个Channel上发生的事件，并且能够根据事件情况决定Channel读写。这样，通过一个线程管理多个Channel，就可以处理大量网络连接了。

采用Selector模式的的好处

有了Selector，我们就可以利用一个线程来处理所有的channels。线程之间的切换对操作系统来说代价是很高的，并且每个线程也会占用一定的系统资源。所以，对系统来说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。

下面这幅图展示了一个线程处理3个 Channel的情况：

这里写图片描述

如何创建一个Selector

异步 I/O 中的核心对象名为 Selector。Selector 就是您注册对各种 I/O 事件兴趣的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉您所发生的事件。

Selector selector = Selector.open();

然后，就需要注册Channel到Selector了。

如何注册Channel到Selector

为了能让Channel和Selector配合使用，我们需要把Channel注册到Selector上。通过调用channel.register（）方法来实现注册：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key =channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

注意，注册的Channel

必须设置成异步模式

才可以,，否则异步IO就无法工作，这就意味着我们不能把一个FileChannel注册到Selector，因为FileChannel没有异步模式，但是网络编程中的SocketChannel是可以的。

需要注意register()方法的第二个参数，它是一个“interest set”,意思是注册的Selector对Channel中的哪些时间感兴趣，事件类型有四种：

  1. Connect
  2. Accept
  3. Read
  4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经

Ready(就绪)。所以，某个Channel成功连接到另一个服务器称为

Connect Ready。一个ServerSocketChannel准备好接收新连接称为

Accept Ready，一个有数据可读的通道可以说是

Read Ready，等待写数据的通道可以说是Write Ready。

上面这四个事件对应到SelectionKey中的四个常量：

1\. SelectionKey.OP_CONNECT
2\. SelectionKey.OP_ACCEPT
3\. SelectionKey.OP_READ
4\. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对多个事件感兴趣，可以通过or操作符来连接这些常量：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

关于SelectionKey

请注意对register()的调用的返回值是一个SelectionKey。 SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时，它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。SelectionKey中包含如下属性：

  • The interest set
  • The ready set
  • The Channel
  • The Selector
  • An attached object (optional)

Interest Set

就像我们在前面讲到的把Channel注册到Selector来监听感兴趣的事件，interest set就是你要选择的感兴趣的事件的集合。你可以通过SelectionKey对象来读写interest set:

int interestSet = selectionKey.interestOps();
boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

通过上面例子可以看到，我们可以通过用AND 和SelectionKey 中的常量做运算，从SelectionKey中找到我们感兴趣的事件。

Ready Set

ready set

是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选Selection之后，你应该会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测Channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel 和Selector

我们可以通过SelectionKey获得Selector和注册的Channel：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

Attach 一个对象

可以将一个对象或者更多信息attach 到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加 与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

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“Read Ready”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道：

  • int select()： 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪
  • int select(long timeout)：select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)
  • int selectNow()： 不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回，此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道处于就绪状态。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，它就会返回一个数值，表示一个或多个通道已经就绪，然后你就可以通过调用selector.selectedKeys()方法返回的SelectionKey集合来获得就绪的Channel。请看演示方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

当你通过Selector注册一个Channel时，channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象，这个对象就代表了你注册的Channel。这些对象可以通过selectedKeys()方法获得。你可以通过迭代这些selected key来获得就绪的Channel，下面是演示代码：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> 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();
}

这个循环遍历selected key的集合中的每个key，并对每个key做测试来判断哪个Channel已经就绪。

请注意循环中最后的keyIterator.remove()方法。Selector对象并不会从自己的selected key集合中自动移除SelectionKey实例。我们需要在处理完一个Channel的时候自己去移除。当下一次Channel就绪的时候，Selector会再次把它添加到selected key集合中。

SelectionKey.channel()方法返回的Channel需要转换成你具体要处理的类型，比如是ServerSocketChannel或者SocketChannel等等。

WakeUp（）和Close（）

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”

当用完Selector后调应道掉用close()方法，它将关闭Selector并且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

一个完整的例子

下面通过一个MultiPortEcho的例子来演示一下上面整个过程。

public class MultiPortEcho {
 private int ports[];
 private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
 public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {
      this.ports = ports;
      go();
 }
 private void go() throws IOException {
      // 1\. 创建一个selector，select是NIO中的核心对象
      // 它用来监听各种感兴趣的IO事件
      Selector selector = Selector.open();
      // 为每个端口打开一个监听, 并把这些监听注册到selector中
      for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
           //2\. 打开一个ServerSocketChannel
           //其实我们没监听一个端口就需要一个channel
           ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
           ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞
           ServerSocket ss = ssc.socket();
           InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
           ss.bind(address);//监听一个端口
           //3\. 注册到selector
           //register的第一个参数永远都是selector
           //第二个参数是我们要监听的事件
           //OP_ACCEPT是新建立连接的事件
           //也是适用于ServerSocketChannel的唯一事件类型
           SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
           System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
      }
      //4\. 开始循环，我们已经注册了一些IO兴趣事件
      while (true) {
           //这个方法会阻塞，直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时
           // select() 方法将返回所发生的事件的数量。
           int num = selector.select();
           //返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个 集合
           Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
           //我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件
           //对于每一个 SelectionKey，您必须确定发生的是什么 I/O 事件，以及这个事件影响哪些 I/O 对象。
           Iterator it = selectedKeys.iterator();
           while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
                //5\. 监听新连接。程序执行到这里，我们仅注册了 ServerSocketChannel
                //并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点
                //我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法，并检查发生了什么类型的事件
                if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
                     //6\. 接收了一个新连接。因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待
                     //所以可以安全地接受它；也就是说，不用担心 accept() 操作会阻塞
                     ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                     SocketChannel sc = ssc.accept();
                     sc.configureBlocking(false);
                     // 7\. 讲新连接注册到selector。将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的
                     //而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据，所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上
                     SelectionKey newKey = sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                     it.remove();
                     System.out.println("Got connection from " + sc);
                } else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {
                     // Read the data
                     SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                     // Echo data
                     int bytesEchoed = 0;
                     while (true) {
                          echoBuffer.clear();
                          int r = sc.read(echoBuffer);
                          if (r <= 0) {
                               break;
                          }
                          echoBuffer.flip();
                          sc.write(echoBuffer);
                          bytesEchoed += r;
                     }
                     System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);
                     it.remove();
                }
           }
           // System.out.println( "going to clear" );
           // selectedKeys.clear();
           // System.out.println( "cleared" );
      }
 }
 static public void main(String args2[]) throws Exception {
      String args[]={"9001","9002","9003"};
      if (args.length <= 0) {
           System.err.println("Usage: java MultiPortEcho port [port port ...]");
           System.exit(1);
      }
      int ports[] = new int[args.length];
      for (int i = 0; i < args.length; ++i) {
           ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);
      }
      new MultiPortEcho(ports);
 }
 }
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
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