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澳门新葡萄京官网注册Java NIO 核心组件学习笔记

背景知识

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式: 

JackChen1024 关注

同步、异步、阻塞、非阻塞

首先,这几个概念非常容易搞混淆,但NIO中又有涉及,所以总结一下[1]。

  • 同步:API调用返回时调用者就知道操作的结果如何了(实际读取/写入了多少字节)。
  • 异步:相对于同步,API调用返回时调用者不知道操作的结果,后面才会回调通知结果。
  • 阻塞:当无数据可读,或者不能写入所有数据时,挂起当前线程等待。
  • 非阻塞:读取时,可以读多少数据就读多少然后返回,写入时,可以写入多少数据就写入多少然后返回。

对于I/O操作,根据Oracle官网的文档,同步异步的划分标准是“调用者是否需要等待I/O操作完成”,这个“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要读取到数据或者说写入所有数据,而是指真正进行I/O操作时,比如数据在TCP/IP协议栈缓冲区和JVM缓冲区之间传输的这段时间,调用者是否要等待。

所以,我们常用的 read() 和 write()
方法都是同步I/O,同步I/O又分为阻塞和非阻塞两种模式,如果是非阻塞模式,检测到无数据可读时,直接就返回了,并没有真正执行I/O操作。

总结就是,Java中实际上只有 同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O 与 异步I/O
三种机制,我们下文所说的是前两种,JDK 1.7才开始引入异步
I/O,那称之为NIO.2。

  • Channels and
    Buffers(通道和缓冲区)
    :标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。
  • Asynchronous IO(异步IO):Java
    NIO可以让你异步的使用IO,例如:当线程从通道读取数据到缓冲区时,线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时,线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。
  • Selectors(选择器):Java
    NIO引入了选择器的概念,选择器用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个的线程可以监听多个数据通道。

2017.03.12
14:06* 字数 11049 阅读
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传统IO

我们知道,一个新技术的出现总是伴随着改进和提升,Java NIO的出现亦如此。

传统 I/O
是阻塞式I/O,主要问题是系统资源的浪费。比如我们为了读取一个TCP连接的数据,调用
InputStream 的 read()
方法,这会使当前线程被挂起,直到有数据到达才被唤醒,那该线程在数据到达这段时间内,占用着内存资源(存储线程栈)却无所作为,也就是俗话说的占着茅坑不拉屎,为了读取其他连接的数据,我们不得不启动另外的线程。在并发连接数量不多的时候,这可能没什么问题,然而当连接数量达到一定规模,内存资源会被大量线程消耗殆尽。另一方面,线程切换需要更改处理器的状态,比如程序计数器、寄存器的值,因此非常频繁的在大量线程之间切换,同样是一种资源浪费。

随着技术的发展,现代操作系统提供了新的I/O机制,可以避免这种资源浪费。基于此,诞生了Java
NIO,NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。紧接着我们发现,简单的使用非阻塞I/O并不能解决问题,因为在非阻塞模式下,read()方法在没有读取到数据时就会立即返回,不知道数据何时到达的我们,只能不停的调用read()方法进行重试,这显然太浪费CPU资源了,从下文可以知道,Selector组件正是为解决此问题而生。

Java NIO 概述

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。本系列教程将有助于你学习和理解Java NIO。

Java NIO 核心组件

  Java NIO 由以下几个核心部分组成:

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式:

1.Channel

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors
  • Channels and
    Buffers(通道和缓冲区):标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。
  • Asynchronous IO(异步IO):Java
    NIO可以让你异步的使用IO,例如:当线程从通道读取数据到缓冲区时,线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时,线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。
  • Selectors(选择器):Java
    NIO引入了选择器的概念,选择器用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个的线程可以监听多个数据通道。

概念

Java
NIO中的所有I/O操作都基于Channel对象,就像流操作都要基于Stream对象一样,因此很有必要先了解Channel是什么。以下内容摘自JDK
1.8的文档

A channel represents an open connection to an entity such as a
hardware device, a file, a network socket, or a program component that
is capable of performing one or more distinct I/O operations, for
example reading or writing.

从上述内容可知,一个Channel(通道)代表和某一实体的连接,这个实体可以是文件、网络套接字等。也就是说,通道是Java
NIO提供的一座桥梁,用于我们的程序和操作系统底层I/O服务进行交互。

通道是一种很基本很抽象的描述,和不同的I/O服务交互,执行不同的I/O操作,实现不一样,因此具体的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起来跟Stream比较像,可以读取数据到Buffer中,也可以把Buffer中的数据写入通道。

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当然,也有区别,主要体现在如下两点:

  • 一个通道,既可以读又可以写,而一个Stream是单向的(所以分 InputStream
    和 OutputStream)
  • 通道有非阻塞I/O模式

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件,但在我看来,Channel,Buffer 和
Selector
构成了核心的API。其它组件,如Pipe和FileLock,只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。因此,在概述中我将集中在这三个组件上。其它组件会在单独的章节中讲到。 

下面就来详细介绍Java NIO的相关知识。

实现

Java NIO中最常用的通道实现是如下几个,可以看出跟传统的 I/O
操作类是一一对应的。

  • FileChannel:读写文件
  • DatagramChannel: UDP协议网络通信
  • SocketChannel:TCP协议网络通信
  • ServerSocketChannel:监听TCP连接

  Channel 和 Buffer 

1. Java NIO 概述

Java NIO 由以下几个核心部分组成:

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件,但在我看来,Channel,Buffer 和
Selector
构成了核心的API。其它组件,如Pipe和FileLock,只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。因此,在概述中我将集中在这三个组件上。其它组件会在单独的章节中讲到。

2.Buffer

NIO中所使用的缓冲区不是一个简单的byte数组,而是封装过的Buffer类,通过它提供的API,我们可以灵活的操纵数据,下面细细道来。

与Java基本类型相对应,NIO提供了多种 Buffer
类型,如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等,区别就是读写缓冲区时的单位长度不一样(以对应类型的变量为单位进行读写)。

Buffer中有3个很重要的变量,它们是理解Buffer工作机制的关键,分别是

  • capacity (总容量)
  • position (指针当前位置)
  • limit (读/写边界位置)

Buffer的工作方式跟C语言里的字符数组非常的像,类比一下,capacity就是数组的总长度,position就是我们读/写字符的下标变量,limit就是结束符的位置。Buffer初始时3个变量的情况如下图

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在对Buffer进行读/写的过程中,position会往后移动,而 limit 就是 position
移动的边界。由此不难想象,在对Buffer进行写入操作时,limit应当设置为capacity的大小,而对Buffer进行读取操作时,limit应当设置为数据的实际结束位置。(注意:将Buffer数据 写入 通道是Buffer 读取 操作,从通道 读取 数据到Buffer是Buffer 写入 操作)

在对Buffer进行读/写操作前,我们可以调用Buffer类提供的一些辅助方法来正确设置
position 和 limit 的值,主要有如下几个

  • flip(): 设置 limit 为 position 的值,然后 position
    置为0。对Buffer进行读取操作前调用。
  • rewind(): 仅仅将 position
    置0。一般是在重新读取Buffer数据前调用,比如要读取同一个Buffer的数据写入多个通道时会用到。
  • clear(): 回到初始状态,即 limit 等于 capacity,position
    置0。重新对Buffer进行写入操作前调用。
  • compact(): 将未读取完的数据(position 与 limit
    之间的数据)移动到缓冲区开头,并将 position
    设置为这段数据末尾的下一个位置。其实就等价于重新向缓冲区中写入了这么一段数据。

然后,看一个实例,使用 FileChannel
读写文本文件,通过这个例子验证通道可读可写的特性以及Buffer的基本用法(注意
FileChannel 不能设置为非阻塞模式)。

    FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
    channel.position(channel.size());  // 移动文件指针到末尾(追加写入)

    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);

    // 数据写入Buffer
    byteBuffer.put("你好,世界!n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    // Buffer -> Channel
    byteBuffer.flip();
    while (byteBuffer.hasRemaining()) {
        channel.write(byteBuffer);
    }

    channel.position(0); // 移动文件指针到开头(从头读取)
    CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
    CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();

    // 读出所有数据
    byteBuffer.clear();
    while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
        byteBuffer.flip();

        // 使用UTF-8解码器解码
        charBuffer.clear();
        decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);
        System.out.print(charBuffer.flip().toString());

        byteBuffer.compact(); // 数据可能有剩余
    }

    channel.close();

这个例子中使用了两个Buffer,其中 byteBuffer
作为通道读写的数据缓冲区,charBuffer 用于存储解码后的字符。clear() 和
flip() 的用法正如上文所述,需要注意的是最后那个 compact() 方法,即使
charBuffer 的大小完全足以容纳 byteBuffer 解码后的数据,这个 compact()
也必不可少,这是因为常用中文字符的UTF-8编码占3个字节,因此有很大概率出现在中间截断的情况,请看下图:

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当 Decoder 读取到缓冲区末尾的 0xe4 时,无法将其映射到一个
Unicode,decode()方法第三个参数 false 的作用就是让 Decoder
把无法映射的字节及其后面的数据都视作附加数据,因此 decode()
方法会在此处停止,并且 position 会回退到 0xe4 的位置。如此一来,
缓冲区中就遗留了“中”字编码的第一个字节,必须将其 compact
到前面,以正确的和后序数据拼接起来。(关于字符编码,可以参看我的前一篇文章:)

BTW,例子中的 CharsetDecoder 也是 Java NIO
的一个新特性,所以大家应该发现了一点哈,NIO的操作是面向缓冲区的(传统I/O是面向流的)。

至此,我们了解了 Channel 与 Buffer
的基本用法。接下来要说的是让一个线程管理多个Channel的重要组件。

  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。下边是一个图示:

1.1 Channel 和 Buffer

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。这里有个图示:

 

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channel和buffer

Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现:

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

正如你所看到的,这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO,以及文件IO。

与这些类一起的有一些有趣的接口,但为简单起见,我尽量在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。

以下是Java NIO里关键的Buffer实现:

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

这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型:byte,short,int,long,float,double
和 char

Java NIO 还有个 Mappedyteuffer,用于表示内存映射文件,
我也不打算在概述中说明。

3.Selector

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1.2 Selector

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。例如,在一个聊天服务器中。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示:

 

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要使用Selector,得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新连接进来,数据接收等。

Selector 是什么

Selector(选择器)是一个特殊的组件,用于采集各个通道的状态(或者说事件)。我们先将通道注册到选择器,并设置好关心的事件,然后就可以通过调用select()方法,静静地等待事件发生。

通道有如下4个事件可供我们监听:

  • Accept:有可以接受的连接
  • Connect:连接成功
  • Read:有数据可读
  • Write:可以写入数据了

  Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA
NIO中Channel的一些主要的实现:

2. Java NIO vs IO

当学习了Java NIO和IO的API后,一个问题马上涌入脑海:

我应该何时使用IO,何时使用NIO呢?在本文中,我会尽量清晰地解析Java
NIO和IO的差异、它们的使用场景,以及它们如何影响您的代码设计。

为什么要用Selector

前文说了,如果用阻塞I/O,需要多线程(浪费内存),如果用非阻塞I/O,需要不断重试(耗费CPU)。Selector的出现解决了这尴尬的问题,非阻塞模式下,通过Selector,我们的线程只为已就绪的通道工作,不用盲目的重试了。比如,当所有通道都没有数据到达时,也就没有Read事件发生,我们的线程会在select()方法处被挂起,从而让出了CPU资源。

    • FileChannel
    • DatagramChannel
    • SocketChannel
    • ServerSocketChannel

2.1 Java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别,我会更详细地描述表中每部分的差异。

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

使用方法

如下所示,创建一个Selector,并注册一个Channel。

注意:要将 Channel 注册到 Selector,首先需要将 Channel
设置为非阻塞模式,否则会抛异常。

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

register()方法的第二个参数名叫“interest
set”,也就是你所关心的事件集合。如果你关心多个事件,用一个“按位或运算符”分隔,比如

SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE

这种写法一点都不陌生,支持位运算的编程语言里都这么玩,用一个整型变量可以标识多种状态,它是怎么做到的呢,其实很简单,举个例子,首先预定义一些常量,它们的值(二进制)如下

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可以发现,它们值为1的位都是错开的,因此对它们进行按位或运算之后得出的值就没有二义性,可以反推出是由哪些变量运算而来。怎么判断呢,没错,就是“按位与”运算。比如,现在有一个状态集合变量值为
0011,我们只需要判断 “0011 & OP_READ” 的值是 1 还是 0
就能确定集合是否包含 OP_READ 状态。

然后,注意 register()
方法返回了一个SelectionKey的对象,这个对象包含了本次注册的信息,我们也可以通过它修改注册信息。从下面完整的例子中可以看到,select()之后,我们也是通过获取一个
SelectionKey 的集合来获取到那些状态就绪了的通道。

     正如你所看到的,这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO,以及文件IO。 

2.2 面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。
Java
IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。
Java
NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

一个完整实例

概念和理论的东西阐述完了(其实写到这里,我发现没写出多少东西,好尴尬(⊙ˍ⊙)),看一个完整的例子吧。

这个例子使用Java
NIO实现了一个单线程的服务端,功能很简单,监听客户端连接,当连接建立后,读取客户端的消息,并向客户端响应一条消息。

需要注意的是,我用字符 ‘′(一个值为0的字节) 来标识消息结束。

   
 与这些类一起的有一些有趣的接口,但为简单起见,我尽量在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。 

2.3 阻塞与非阻塞IO

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着,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,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
Java
NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。
非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。
线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

单线程Server

public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个selector
        Selector selector = Selector.open();

        // 初始化TCP连接监听通道
        ServerSocketChannel listenChannel = ServerSocketChannel.open();
        listenChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
        listenChannel.configureBlocking(false);
        // 注册到selector(监听其ACCEPT事件)
        listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 创建一个缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);

        while (true) {
            selector.select(); //阻塞,直到有监听的事件发生
            Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();

            // 通过迭代器依次访问select出来的Channel事件
            while (keyIter.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIter.next();

                if (key.isAcceptable()) { // 有连接可以接受
                    SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                    channel.configureBlocking(false);
                    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                    System.out.println("与【" + channel.getRemoteAddress() + "】建立了连接!");

                } else if (key.isReadable()) { // 有数据可以读取
                    buffer.clear();

                    // 读取到流末尾说明TCP连接已断开,
                    // 因此需要关闭通道或者取消监听READ事件
                    // 否则会无限循环
                    if (((SocketChannel) key.channel()).read(buffer) == -1) {
                        key.channel().close();
                        continue;
                    } 

                    // 按字节遍历数据
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        byte b = buffer.get();

                        if (b == 0) { // 客户端消息末尾的
                            System.out.println();

                            // 响应客户端
                            buffer.clear();
                            buffer.put("Hello, Client!".getBytes());
                            buffer.flip();
                            while (buffer.hasRemaining()) {
                                ((SocketChannel) key.channel()).write(buffer);
                            }
                        } else {
                            System.out.print((char) b);
                        }
                    }
                }

                // 已经处理的事件一定要手动移除
                keyIter.remove();
            }
        }
    }
}

  下边是Java NIO里核心Buffer的实现:  

2.4 选择器(Selectors)

Java
NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道,你可以注册多个通道使用一个选择器,然后使用一个单独的线程来“选择”通道:这些通道里已经有可以处理的输入,或者选择已准备写入的通道。这种选择机制,使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

Client

这个客户端纯粹测试用,为了看起来不那么费劲,就用传统的写法了,代码很简短。

要严谨一点测试的话,应该并发运行大量Client,统计服务端的响应时间,而且连接建立后不要立刻发送数据,这样才能发挥出服务端非阻塞I/O的优势。

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
        InputStream is = socket.getInputStream();
        OutputStream os = socket.getOutputStream();

        // 先向服务端发送数据
        os.write("Hello, Server!".getBytes());

        // 读取服务端发来的数据
        int b;
        while ((b = is.read()) != 0) {
            System.out.print((char) b);
        }
        System.out.println();

        socket.close();
    }
}
    • ByteBuffer
    • CharBuffer
    • DoubleBuffer
    • FloatBuffer
    • IntBuffer
    • LongBuffer
    • ShortBuffer

2.5 NIO和IO如何影响应用程序的设计

无论您选择IO或NIO工具箱,可能会影响您应用程序设计的以下几个方面:

  • 对NIO或IO类的API调用
  • 数据处理
  • 用来处理数据的线程数

NIO vs IO

学习了NIO之后我们都会有这样一个疑问:到底什么时候该用NIO,什么时候该用传统的I/O呢?

其实了解他们的特性后,答案还是比较明确的,NIO擅长1个线程管理多条连接,节约系统资源,但是如果每条连接要传输的数据量很大的话,因为是同步I/O,会导致整体的响应速度很慢;而传统I/O为每一条连接创建一个线程,能充分利用处理器并行处理的能力,但是如果连接数量太多,内存资源会很紧张。

总结就是:连接数多数据量小用NIO,连接数少用I/O(写起来也简单- -)。

  这些Bufferh包含了你能通过IO发送的基本数据类型:byte, short, int,
long, float, double 和 char。 

2.5.1 API调用

当然,使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同,但这并不意外,因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取,而是数据必须先读入缓冲区再处理。

Next

经过NIO核心组件的学习,了解了非阻塞服务端实现的基本方法。然而,细心的你们肯定也发现了,上面那个完整的例子,实际上就隐藏了很多问题。比如,例子中只是简单的将读取到的每个字节输出,实际环境中肯定是要读取到完整的消息后才能进行下一步处理,由于NIO的非阻塞特性,一次可能只读取到消息的一部分,这已经很糟糕了,如果同一条连接会连续发来多条消息,那不仅要对消息进行拼接,还需要切割,同理,例子中给客户端响应的时候,用了个while()循环,保证数据全部write完成再做其它工作,实际应用中为了性能,肯定不会这么写。另外,为了充分利用现代处理器多核心并行处理的能力,应该用一个线程组来管理这些连接的事件。

要解决这些问题,需要一个严谨而繁琐的设计,不过幸运的是,我们有开源的框架可用,那就是优雅而强大的Netty,Netty基于Java
NIO,提供异步调用接口,开发高性能服务器的一个很好的选择,之前在项目中使用过,但没有深入学习,打算下一步好好学学它,到时候再写一篇笔记。

Java NIO设计的目标是为程序员提供API以享受现代操作系统最新的I/O机制,所以覆盖面较广,除了文中所涉及的组件与特性,还有很多其它的,比如
Pipe(管道)、Path(路径)、Files(文件)
等,有的是用于提升I/O性能的新组件,有的是简化I/O操作的工具,具体用法可以参看最后
References 里的链接。

  Java NIO 还有一个Mappedyteuffer,用来表示内存映射文件,
在概述中也不会讲述。

2.5.2 数据处理

使用纯粹的NIO设计相较IO设计,数据处理也受到影响。

在IO设计中,我们从InputStream或
Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流,例如:

该文本行的流可以这样处理:

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();  

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说,一旦reader.readLine()方法返回,你就知道肯定文本行就已读完,
readline()阻塞直到整行读完,这就是原因。你也知道此行包含名称;同样,第二个readline()调用返回的时候,你知道这行包含年龄等。
正如你可以看到,该处理程序仅在有新数据读入时运行,并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据,该线程不会再回退数据(大多如此)。下图也说明了这条原则:

 

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从一个阻塞的流中读数据

而一个NIO的实现会有所不同,下面是一个简单的例子:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  

int bytesRead = inChannel.read(buffer);  

注意第二行,从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时,你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是,该缓冲区包含一些字节,这使得处理有点困难。

假设第一次
read(buffer)调用后,读入缓冲区的数据只有半行,例如,“Name:An”,你能处理数据吗?显然不能,需要等待,直到整行数据读入缓存,在此之前,对数据的任何处理毫无意义。

所以,你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢?好了,你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是,在你知道所有数据都在缓冲区里之前,你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下,而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如:

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

bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区,并返回真或假,这取决于缓冲区是否已满。换句话说,如果缓冲区准备好被处理,那么表示缓冲区满了。

bufferFull()方法扫描缓冲区,但必须保持在bufferFull()方法被调用之前状态相同。如果没有,下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的,但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满,它可以被处理。如果它不满,并且在你的实际案例中有意义,你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”:

 

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从一个通道里读数据,直到所有的数据都读到缓冲区里

References

[1] Differences Between Synchronous and Asynchronous
I/O

[2] Java NIO –
Wikipedia)

[3] Java NIO
Tutorial

[4] Package
java.nio

  Selector 

2.6 总结

NIO可让您只使用一个(或几个)单线程管理多个通道(网络连接或文件),但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,例如聊天服务器,实现NIO的服务器可能是一个优势。同样,如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上,如P2P网络中,使用一个单独的线程来管理你所有出站连接,可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示:

 

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单线程管理多个连接

如果你有少量的连接使用非常高的带宽,一次发送大量的数据,也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计:

 

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一个典型的IO服务器设计:一个连接通过一个线程处理

Selector允许单个线程来处理多个
Channel。如果你的应用打开了多个连接(Channels),但每个连接的数据传输都很少,使用Selector就会很方便。例如,在一个聊天服务器中。 下边是在单个线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示: 

3. 通道(Channel)

Java NIO的通道类似流,但又有些不同:

  • 既可以从通道中读取数据,又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
  • 通道可以异步地读写。
  • 通道中的数据总是要先读到一个Buffer,或者总是要从一个Buffer中写入。

正如上面所说,从通道读取数据到缓冲区,从缓冲区写入数据到通道。如下图所示:

 

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                  澳门新葡萄京官网注册 13

3.1 Channel的实现

这些是Java NIO中最重要的通道的实现:

  • FileChannel:从文件中读写数据
  • DatagramChannel:能通过UDP读写网络中的数据
  • SocketChannel:能通过TCP读写网络中的数据
  • ServerSocketChannel:可以监听新进来的TCP连接,像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel

                     Java NIO:
单个线程中一个Selector处理三个通道

3.2 基本的 Channel 示例

下面是一个使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例:

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()
的调用,首先读取数据到Buffer,然后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据。下一节会深入讲解Buffer的更多细节。

要使用Selector,需要向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞,直到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,比如有如新连接进来,数据接收等。 

4. 缓冲区(Buffer)

Java
NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知,数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写入到通道中的。

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO
Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

 

4.1 Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

  • 写入数据到Buffer
  • 调用flip()方法
  • 从Buffer中读取数据
  • 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。

下面是一个使用Buffer的例子:

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();  

4.2 Buffer的capacity、position、limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO
Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性:

  • capacity
  • position
  • limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式,capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity,position和limit在读写模式中的说明,详细的解释在插图后面。

 

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4.2.1 capacity

作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。

Java NIO 同 IO 比较

Java NIO和IO的主要区别   

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

  

 

 

 

面向流与面向缓冲

Java
NIO和IO之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。 Java
IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。
Java
NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。 

阻塞与非阻塞IO 

Java
IO的各种流是阻塞的。这意味着,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,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
Java NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。
非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。
线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。 

选择器(Selectors) 

Java
NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道,你可以注册多个通道使用一个选择器,然后使用一个单独的线程来“选择”通道:这些通道里已经有可以处理的输入,或者选择已准备写入的通道。这种选择机制,使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。 

NIO和IO如何影响应用程序的设计 

无论您选择IO或NIO工具,可能会影响您应用程序设计的以下几个方面: 

  • 对NIO或IO类的API调用。
  • 数据处理。
  • 用来处理数据的线程数。

  API调用

  当然,使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同,但这并不意外,因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取,而是数据必须先读入缓冲区再处理。 

  数据处理 

  使用纯粹的NIO设计相较IO设计,数据处理也受到影响。 在IO设计中,我们从InputStream或
Reader逐字节读取数据。

  假设你正在处理一基于行的文本数据流,例如: 

name:Andy
age: 25  
email: andy@163.com

 

  

  该文本行的流可以这样处理:   

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();  

 

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说,一旦reader.readLine()方法返回,你就知道肯定文本行就已读完,
readline()阻塞直到整行读完,这就是原因。你也知道此行包含名称;同样,第二个readline()调用返回的时候,你知道这行包含年龄等。
正如你可以看到,该处理程序仅在有新数据读入时运行,并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据,该线程不会再回退数据(大多如此)。下图也说明了这条原则:

                      澳门新葡萄京官网注册 15

 而一个NIO的实现会有所不同,下面是一个简单的例子:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  

int bytesRead = inChannel.read(buffer);  

  注意第二行,从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时,你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是,该缓冲区包含一些字节,这使得处理有点困难。 
假设第一次
read(buffer)调用后,读入缓冲区的数据只有半行,例如,“Name:An”,你能处理数据吗?显然不能,需要等待,直到整行数据读入缓存,在此之前,对数据的任何处理毫无意义。 

所以,你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢?好了,你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是,在你知道所有数据都在缓冲区里之前,你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下,而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如: 

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

  bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区,并返回真或假,这取决于缓冲区是否已满。换句话说,如果缓冲区准备好被处理,那么表示缓冲区满了。 

bufferFull()方法扫描缓冲区,但必须保持在bufferFull()方法被调用之前状态相同。如果没有,下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的,但却是需要注意的又一问题。 

如果缓冲区已满,它可以被处理。如果它不满,并且在你的实际案例中有意义,你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”: 

                        澳门新葡萄京官网注册 16

                            从一个通道里读数据,直到所有的数据都读到缓冲区里

 

 总结 

澳门新葡萄京官网注册,NIO可让您只使用一个(或几个)单线程管理多个通道(网络连接或文件),但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。 

如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,例如聊天服务器,实现NIO的服务器可能是一个优势。同样,如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上,如P2P网络中,使用一个单独的线程来管理你所有出站连接,可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示: 

                            澳门新葡萄京官网注册 17

                              单线程管理多个连接

如果你有少量的连接使用非常高的带宽,一次发送大量的数据,也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计: 

                   澳门新葡萄京官网注册 18

                          一个典型的IO服务器设计:一个连接通过一个线程处理 


4.2.2 position

当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后,
position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity
– 1。

当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。

 

4.2.3 limit

在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。
写模式下,limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时,
limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position)

通道(Channel)

  Java NIO的通道类似流,但又有些不同:

  • 既可以从通道中读取数据,又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
  • 通道可以异步地读写。
  • 通道中的数据总是要先读到一个Buffer,或者总是要从一个Buffer中写入。

  正如上面所说,从通道读取数据到缓冲区,从缓冲区写入数据到通道。如下图所示: 

         澳门新葡萄京官网注册 19

  Channel的实现

  这些是Java NIO中最重要的通道的实现: 

  • FileChannel:从文件中读写数据。
  • DatagramChannel:能通过UDP读写网络中的数据。
  • SocketChannel:能通过TCP读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel:可以监听新进来的TCP连接,像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

 基本的 Channel 示例 

    下面是一个使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例:

  

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()
的调用,首先读取数据到Buffer,然后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据。下一节会深入讲解Buffer的更多细节。

 

 


 

4.3 Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型:

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

如你所见,这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说,就是可以通过char,short,int,long,float
或 double类型来操作缓冲区中的字节。

MappedByteBuffer 有些特别,在涉及它的专门章节中再讲。

缓冲区(Buffer)

  Java
NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知,数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写入到通道中的。 

  缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO
Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。 

  Buffer的基本用法 

  使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

    • 写入数据到Buffer
    • 调用flip()方法
    • 从Buffer中读取数据
    • 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。 

下面是一个使用Buffer的例子: 

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 

缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO
Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。 

为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性: 

    • capacity
    • position
    • limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式,capacity的含义总是一样的。 

这里有一个关于capacity,position和limit在读写模式中的说明,详细的解释在插图后面。

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capacity 

作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。 

position 

当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后,
position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity
– 1。 

当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。 

limit 

在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。
写模式下,limit等于Buffer的capacity。 

当切换Buffer到读模式时,
limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position) 

Buffer的类型 

Java NIO 有以下Buffer类型: 

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

 如你所见,这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说,就是可以通过char,short,int,long,float
或 double类型来操作缓冲区中的字节。 

MappedByteBuffer 有些特别,在涉及它的专门章节中再讲。 

 

Buffer的分配 

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。
每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer: 

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中写数据 

写数据到Buffer有两种方式: 

    • 从Channel写到Buffer。
    • 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子 

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  

通过put方法写Buffer的例子: 

buf.put(127);  

put方法有很多版本,允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如,
写到一个指定的位置,或者把一个字节数组写入到Buffer。
更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。 

flip()方法 

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。 

换句话说,position现在用于标记读的位置,limit表示之前写进了多少个byte、char等
—— 现在能读取多少个byte、char等。

 

从Buffer读取数据到Channel的例子: 

//read from buffer into channel.  
int bytesWritten = inChannel.write(buf);  

  使用get()方法从Buffer中读取数据的例子 

byte aByte = buf.get();  

get方法有很多版本,允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如,从指定position读取,或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。   

 

rewind()方法 

Buffer.rewind()将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素(byte、char等)。

 

clear()与compact()方法 

一旦读完Buffer中的数据,需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。 

如果调用的是clear()方法,position将被设回0,limit被设置成
capacity的值。换句话说,Buffer
被清空了。Buffer中的数据并未清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。 

如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。 

如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先先写些数据,那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

 

mark()与reset()方法 

通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如: 

buffer.mark();  

//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.  

buffer.reset();  //set position back to mark.  

 

equals()与compareTo()方法 

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个Buffer是否相等。 

equals() 

当满足下列条件时,表示两个Buffer相等: 

    • 有相同的类型(byte、char、int等)。
    • Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
    • Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见,equals只是比较Buffer的一部分,不是每一个在它里面的元素都比较。实际上,它只比较Buffer中的剩余元素。 

compareTo()方法 

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等),
如果满足下列条件,则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer: 

    • 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素。
    • 所有元素都相等,但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

剩余元素是从 position到limit之间的元素


 

4.4 Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。
每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer:

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);  

分散(Scatter)/聚集(Gather)

  Java
NIO开始支持scatter/gather,scatter/gather用于描述从Channel中读取或者写入到Channel的操作。 

分散(scatter)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。 

聚集(gather)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。 

scatter /
gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合,例如传输一个由消息头和消息体组成的消息,你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中,这样你可以方便的处理消息头和消息体。

  Scattering Reads 

  Scattering
Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述: 

    澳门新葡萄京官网注册 21

  代码示例如下: 

  

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  

channel.read(bufferArray);  

注意buffer首先被插入到数组,然后再将数组作为channel.read()
的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer,当一个buffer被写满后,channel紧接着向另一个buffer中写。 

Scattering
Reads在移动下一个buffer前,必须填满当前的buffer,这也意味着它不适用于动态消息(译者注:消息大小不固定)。换句话说,如果存在消息头和消息体,消息头必须完成填充(例如
128byte),Scattering Reads才能正常工作。 

Gathering Writes 

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述: 

    澳门新葡萄京官网注册 22

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  

//write data into buffers  

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  

channel.write(bufferArray);  

  buffers数组是write()方法的入参,write()方法会按照buffer在数组中的顺序,将数据写入到channel,注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此,如果一个buffer的容量为128byte,但是仅仅包含58byte的数据,那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering
Reads相反,Gathering Writes能较好的处理动态消息。 

 


4.5 向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式:

  • 从Channel写到Buffer。
  • 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  

通过put方法写Buffer的例子:

buf.put(127);  

put方法有很多版本,允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如,
写到一个指定的位置,或者把一个字节数组写入到Buffer。
更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

通道之间的数据传输

  在Java
NIO中,如果两个通道中有一个是FileChannel,那你可以直接将数据从一个channel
传输到另外一个channel。 

transferFrom() 

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中(这个方法在JDK文档中的解释为将字节从给定的可读取字节通道传输到此通道的文件中)。下面是一个简单的例子: 

  

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();  

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
FileChannel toChannel = toFile.getChannel();  

long position = 0;  
long count = fromChannel.size();  

toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据,count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于
count 个字节,则所传输的字节数要小于请求的字节数。 

此外要注意,在SoketChannel的实现中,SocketChannel只会传输此刻准备好的数据(可能不足count字节)。因此,SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。 

 

transferTo() 

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中。下面是一个简单的例子: 

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();  

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();  

long position = 0;  
long count = fromChannel.size();  

fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);  

是不是发现这个例子和前面那个例子特别相似?除了调用方法的FileChannel对象不一样外,其他的都一样。 

上面所说的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中同样存在。SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。 

 


 

 

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。

换句话说,position现在用于标记读的位置,limit表示之前写进了多少个byte、char等
—— 现在能读取多少个byte、char等。

选择器(Selector)

  Selector(选择器)是Java
NIO中能够检测一到多个NIO通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。 

(1)  为什么使用Selector? 

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。 

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图: 

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Java NIO: A Thread uses a Selector to handle 3 Channel’s

 

**(2)  Selector的创建 

**通过调用Selector.open()方法创建一个Selector,如下: 

Selector selector = Selector.open();

  

  (3) 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: 

channel.configureBlocking(false);  
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。 

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件: 

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

   通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server
socket
channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。 

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示: 

    • SelectionKey.OP_CONNECT
    • SelectionKey.OP_ACCEPT
    • SelectionKey.OP_READ
    • SelectionKey.OP_WRITE

如果你对不止一种事件感兴趣,那么可以用“位或”操作符将常量连接起来,如下: 

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;  

  在下面还会继续提到interest集合。 

(4)  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你感兴趣的属性: 

    • 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 

  就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合,像这样: 

int interestSet = selectionKey.interestOps();  

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

  可以看到,用“位与”操作interest
集合和给定的SelectionKey常量,可以确定某个确定的事件是否在interest
集合中。  

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
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 + Selector 

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下: 

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

  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。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);  

  (5)  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(译者注: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,只有一个通道就绪了。 

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。如下所示: 

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  

  当像Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey
对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。 

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下: 

  

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();
}

这个循环遍历已选择键集中的每个键,并检测各个键所对应的通道的就绪事件。 

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。 

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。 

(6)  wakeUp() 

某个线程调用select()方法后阻塞了,即使没有通道已经就绪,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)”。 

(7)  close() 

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector,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。 

(8)  完整的示例 

这里有一个完整的示例,打开一个Selector,注册一个通道注册到这个Selector上(通道的初始化过程略去),然后持续监控这个Selector的四种事件(接受,连接,读,写)是否就绪。 

Selector selector = Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

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


while(true) {

  int readyChannels = selector.select();

  if(readyChannels == 0) continue;


  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();
  }
}

  


 

 

4.5 从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式:

  • 从Buffer读取数据到Channel。
  • 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子:

//read from buffer into channel.  
int bytesWritten = inChannel.write(buf);  

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();  

get方法有很多版本,允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如,从指定position读取,或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

文件通道

Java
NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。 

FileChannel无法设置为非阻塞模式,它总是运行在阻塞模式下。

打开FileChannel 

在使用FileChannel之前,必须先打开它。但是,我们无法直接打开一个FileChannel,需要通过使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例: 

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

 

从FileChannel读取数据 

调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如:  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
int bytesRead = inChannel.read(buf);  

首先,分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。 

然后,调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1,表示到了文件末尾。 

向FileChannel写数据 

使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据,该方法的参数是一个Buffer。如:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  

buf.flip();  

while(buf.hasRemaining()) {  
    channel.write(buf);  
}  

  注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节,因此需要重复调用write()方法,直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。 

关闭FileChannel 

用完FileChannel后必须将其关闭。如:

channel.close();  

FileChannel的position方法 

有时可能需要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操作。可以通过调用position()方法获取FileChannel的当前位置。 

也可以通过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。 

这里有两个例子: 

long pos = channel.position();  
channel.position(pos +123);  

如果将位置设置在文件结束符之后,然后试图从文件通道中读取数据,读方法将返回-1
—— 文件结束标志。 

如果将位置设置在文件结束符之后,然后向通道中写数据,文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能导致“文件空洞”,磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。 

FileChannel的size方法 

FileChannel实例的size()方法将返回该实例所关联文件的大小。如: 

long fileSize = channel.size();  

FileChannel的truncate方法 

可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时,文件将中指定长度后面的部分将被删除。如:

channel.truncate(1024); 

  这个例子截取文件的前1024个字节。

 

FileChannel的force方法 

FileChannel.force()方法将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。出于性能方面的考虑,操作系统会将数据缓存在内存中,所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点,需要调用force()方法。 

force()方法有一个boolean类型的参数,指明是否同时将文件元数据(权限信息等)写到磁盘上。 

下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上: 

channel.force(true);  

  


 

 

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素(byte、char等)。

Socket 通道

  Java
NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel: 

  • 打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
  • 一个新连接到达ServerSocketChannel时,会创建一个SocketChannel。

打开 SocketChannel 

下面是SocketChannel的打开方式: 

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();  
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

  

  关闭 SocketChannel 

  当用完SocketChannel之后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel: 

socketChannel.close();  

从 SocketChannel 读取数据 

要从SocketChannel中读取数据,调用一个read()的方法之一。以下是例子: 

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
int bytesRead = socketChannel.read(buf);  

  首先,分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。 

然后,调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel
读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1,表示已经读到了流的末尾(连接关闭了)。 

写入 SocketChannel 

写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法,该方法以一个Buffer作为参数。示例如下: 

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  

buf.flip();  

while(buf.hasRemaining()) {  
    channel.write(buf);  
}  

  注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。 

  非阻塞模式 

  可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式(non-blocking
mode).设置之后,就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。 

connect() 

如果SocketChannel在非阻塞模式下,此时调用connect(),该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立,可以调用finishConnect()的方法。像这样: 

socketChannel.configureBlocking(false);  
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

while(! socketChannel.finishConnect() ){  
    //wait, or do something else...  
}  

write() 

非阻塞模式下,write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。前面已经有例子了,这里就不赘述了。 

read() 

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。 

非阻塞模式与选择器 

非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好,通过将一或多个SocketChannel注册到Selector,可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取,写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。 


 

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据,需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法,position将被设回0,limit被设置成
capacity的值。换句话说,Buffer
被清空了。Buffer中的数据并未清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先先写些数据,那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

ServerSocket 通道

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。ServerSocketChannel类在
java.nio.channels包中。 

  

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    //do something with socketChannel...  
}  

  打开 ServerSocketChannel 

  通过调用 ServerSocketChannel.open()
方法来打开ServerSocketChannel.如: 

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

  关闭 ServerSocketChannel 

  通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel.
如: 

serverSocketChannel.close();  

  

监听新进来的连接

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当
accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的
SocketChannel。因此,accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法.
如下面的例子:

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    //do something with socketChannel...  
}  

  当然,也可以在while循环中使用除了true以外的其它退出准则。

非阻塞模式 
ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept()
方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。
因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null。如:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
serverSocketChannel.configureBlocking(false);  

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    if(socketChannel != null){  
        //do something with socketChannel...  
    }  
}  

  


 

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如:

buffer.mark();  

//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.  

buffer.reset();  //set position back to mark.  

Datagram 通道

  Java
NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。 

  打开 DatagramChannel 

  下面是 DatagramChannel 的打开方式: 

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

这个例子打开的 DatagramChannel可以在UDP端口9999上接收数据包。

接收数据 

通过receive()方法从DatagramChannel接收数据,如: 

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
channel.receive(buf);  

  receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer.
如果Buffer容不下收到的数据,多出的数据将被丢弃。 

  发送数据 

通过send()方法从DatagramChannel发送数据,如: 

  

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  
buf.flip();  

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  

  这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。
因为服务端并没有监控这个端口,所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到,因为UDP在数据传送方面没有任何保证。 

 连接到特定的地址 

  可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。由于UDP是无连接的,连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel
,让其只能从特定地址收发数据。  

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  

 

  当连接后,也可以使用read()和write()方法,就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子: 

int bytesRead = channel.read(buf);  
int bytesWritten = channel.write(but);  

  


equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时,表示两个Buffer相等:

  • 有相同的类型(byte、char、int等)。
  • Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
  • Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见,equals只是比较Buffer的一部分,不是每一个在它里面的元素都比较。实际上,它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等),
如果满足下列条件,则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer:

  • 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素。
  • 所有元素都相等,但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

(译注:剩余元素是从 position到limit之间的元素)

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。 
  这里是Pipe原理的图示: 

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创建管道 

通过Pipe.open()方法打开管道。例如:

向管道写数据 

要向管道写数据,需要访问sink通道。像这样: 

Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();

  

  通过调用SinkChannel的write()方法,将数据写入SinkChannel,像这样:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    sinkChannel.write(buf);
}

从管道读取数据 

从读取管道的数据,需要访问source通道,像这样: 

Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();  

 

调用source通道的read()方法来读取数据,像这样: 

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  

int bytesRead = inChannel.read(buf);  

  read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区。

  

  参考资料:

         

5. 分散Scatter和聚集Gather

Java
NIO开始支持scatter/gather,scatter/gather用于描述从Channel(译者注:Channel在中文经常翻译为通道)中读取或者写入到Channel的操作。

分散(scatter)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。

聚集(gather)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。

scatter /
gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合,例如传输一个由消息头和消息体组成的消息,你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中,这样你可以方便的处理消息头和消息体。

5.1 Scattering Reads

Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述:

 

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代码示例如下:

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  

channel.read(bufferArray);  

注意buffer首先被插入到数组,然后再将数组作为channel.read()
的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer,当一个buffer被写满后,channel紧接着向另一个buffer中写。

Scattering
Reads在移动下一个buffer前,必须填满当前的buffer,这也意味着它不适用于动态消息(译者注:消息大小不固定)。换句话说,如果存在消息头和消息体,消息头必须完成填充(例如
128byte),Scattering Reads才能正常工作。

5.2 Gathering Writes

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述:

 

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代码示例如下:

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  

//write data into buffers  

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  

channel.write(bufferArray);  

buffers数组是write()方法的入参,write()方法会按照buffer在数组中的顺序,将数据写入到channel,注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此,如果一个buffer的容量为128byte,但是仅仅包含58byte的数据,那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering
Reads相反,Gathering Writes能较好的处理动态消息。

6. 通道之间的数据传输

在Java
NIO中,如果两个通道中有一个是FileChannel,那你可以直接将数据从一个channel(译者注:channel中文常译作通道)传输到另外一个channel。

6.1 transferFrom()

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中(译者注:这个方法在JDK文档中的解释为将字节从给定的可读取字节通道传输到此通道的文件中)。下面是一个简单的例子:

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();  

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();  

long position = 0;  
long count = fromChannel.size();  

toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);  

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据,count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于
count 个字节,则所传输的字节数要小于请求的字节数。

此外要注意,在SoketChannel的实现中,SocketChannel只会传输此刻准备好的数据(可能不足count字节)。因此,SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

6.2 transferTo()

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中。下面是一个简单的例子:

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();  

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();  

long position = 0;  
long count = fromChannel.size();  

fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);  

是不是发现这个例子和前面那个例子特别相似?除了调用方法的FileChannel对象不一样外,其他的都一样。

上面所说的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中同样存在。SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。

7. 选择器(Selector)

Selector(选择器)是Java
NIO中能够检测一到多个NIO通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。

7.1 为什么使用Selector?

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。

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图:

7.2 Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector,如下:

Selector selector = Selector.open();  

7.3 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:

channel.configureBlocking(false);  
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。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server
socket
channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示:

  • SelectionKey.OP_CONNECT
  • SelectionKey.OP_ACCEPT
  • SelectionKey.OP_READ
  • SelectionKey.OP_WRITE

如果你对不止一种事件感兴趣,那么可以用“位或”操作符将常量连接起来,如下:

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;  

在下面还会继续提到interest集合。

7.4 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你感兴趣的属性:

  • 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

就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合,像这样:

int interestSet = selectionKey.interes();  

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

可以看到,用“位与”操作interest
集合和给定的SelectionKey常量,可以确定某个确定的事件是否在interest
集合中。

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
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 + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下:

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

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。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);  

7.5 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(译者注: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,只有一个通道就绪了。

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。如下所示:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  

当像Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey
对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下:

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();  
}  

这个循环遍历已选择键集中的每个键,并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

7.6 wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了,即使没有通道已经就绪,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)”。

7.7 close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector,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。

7.7 完整的示例

这里有一个完整的示例,打开一个Selector,注册一个通道注册到这个Selector上(通道的初始化过程略去),然后持续监控这个Selector的四种事件(接受,连接,读,写)是否就绪。

Selector selector = Selector.open();  
channel.configureBlocking(false);  
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
while(true) {  
  int readyChannels = selector.select();  
  if(readyChannels == 0) continue;  
  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();  
  }  
}  

8. 文件通道

Java
NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。

FileChannel无法设置为非阻塞模式,它总是运行在阻塞模式下。

8.1 打开FileChannel

在使用FileChannel之前,必须先打开它。但是,我们无法直接打开一个FileChannel,需要通过使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例:

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

8.2 从FileChannel读取数据

调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如:

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
int bytesRead = inChannel.read(buf);  

首先,分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。

然后,调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1,表示到了文件末尾。

8.3 向FileChannel写数据

使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据,该方法的参数是一个Buffer。如:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  

buf.flip();  

while(buf.hasRemaining()) {  
    channel.write(buf);  
}  

注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节,因此需要重复调用write()方法,直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。

8.4 关闭FileChannel

用完FileChannel后必须将其关闭。如:

channel.close();  

FileChannel的position方法

有时可能需要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操作。可以通过调用position()方法获取FileChannel的当前位置。

也可以通过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。

这里有两个例子:

long pos = channel.position();  
channel.position(pos +123);  

如果将位置设置在文件结束符之后,然后试图从文件通道中读取数据,读方法将返回-1
—— 文件结束标志。

如果将位置设置在文件结束符之后,然后向通道中写数据,文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能导致“文件空洞”,磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。

8.5 FileChannel的size方法

FileChannel实例的size()方法将返回该实例所关联文件的大小。如:

long fileSize = channel.size();  

8.6 FileChannel的truncate方法

可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时,文件将中指定长度后面的部分将被删除。如:

channel.truncate(1024);  

这个例子截取文件的前1024个字节。

8.7 FileChannel的force方法

FileChannel.force()方法将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。出于性能方面的考虑,操作系统会将数据缓存在内存中,所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点,需要调用force()方法。

force()方法有一个boolean类型的参数,指明是否同时将文件元数据(权限信息等)写到磁盘上。

下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上:

channel.force(true);  

9. Socket 通道

Java
NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel:

  • 打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
  • 一个新连接到达ServerSocketChannel时,会创建一个SocketChannel。

9.1 打开 SocketChannel

下面是SocketChannel的打开方式:

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();  
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

9.2 关闭 SocketChannel

当用完SocketChannel之后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel:

socketChannel.close();  

9.3 从 SocketChannel 读取数据

要从SocketChannel中读取数据,调用一个read()的方法之一。以下是例子:

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
int bytesRead = socketChannel.read(buf);  

首先,分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。

然后,调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel
读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1,表示已经读到了流的末尾(连接关闭了)。

9.4 写入 SocketChannel

写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法,该方法以一个Buffer作为参数。示例如下:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  

buf.flip();  

while(buf.hasRemaining()) {  
    channel.write(buf);  
}  

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

9.5 非阻塞模式

可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式(non-blocking
mode).设置之后,就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

connect()

如果SocketChannel在非阻塞模式下,此时调用connect(),该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立,可以调用finishConnect()的方法。像这样:

socketChannel.configureBlocking(false);  
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

while(! socketChannel.finishConnect() ){  
    //wait, or do something else...  
}  

write()

非阻塞模式下,write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。前面已经有例子了,这里就不赘述了。

read()

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。

9.6 非阻塞模式与选择器

非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好,通过将一或多个SocketChannel注册到Selector,可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取,写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。

10. ServerSocket 通道

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。ServerSocketChannel类在
java.nio.channels包中。

这里有个例子:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    //do something with socketChannel...  
}  

10.1 打开 ServerSocketChannel

通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

10.2 关闭 ServerSocketChannel

通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如:

serverSocketChannel.close();  

10.3 监听新进来的连接

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当
accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的
SocketChannel。因此,accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法.
如下面的例子:

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    //do something with socketChannel...  
}  

当然,也可以在while循环中使用除了true以外的其它退出准则。

10.4 非阻塞模式

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept()
方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。
因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null。如:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
serverSocketChannel.configureBlocking(false);  

while(true){  
    SocketChannel socketChannel =  
            serverSocketChannel.accept();  

    if(socketChannel != null){  
        //do something with socketChannel...  
    }  
}  

11. Datagram 通道

Java
NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

11.1 打开 DatagramChannel

下面是 DatagramChannel 的打开方式:

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();  
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  

这个例子打开的 DatagramChannel可以在UDP端口9999上接收数据包。

11.2 接收数据

通过receive()方法从DatagramChannel接收数据,如:

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
channel.receive(buf);  

receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer.
如果Buffer容不下收到的数据,多出的数据将被丢弃。

11.3 发送数据

通过send()方法从DatagramChannel发送数据,如:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  
buf.flip();  

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  

这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。
因为服务端并没有监控这个端口,所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到,因为UDP在数据传送方面没有任何保证。

11.4 连接到特定的地址

可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。由于UDP是无连接的,连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel
,让其只能从特定地址收发数据。

这里有个例子:

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  

当连接后,也可以使用read()和write()方法,就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子:

int bytesRead = channel.read(buf);  
int bytesWritten = channel.write(but);  

12. 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。

这里是Pipe原理的图示:

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12.1 创建管道

通过Pipe.open()方法打开管道。例如:

Pipe pipe = Pipe.open();  

12.2 向管道写数据

要向管道写数据,需要访问sink通道。像这样:

Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();  

通过调用SinkChannel的write()方法,将数据写入SinkChannel,像这样:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
buf.clear();  
buf.put(newData.getBytes());  

buf.flip();  

while(buf.hasRemaining()) {  
    sinkChannel.write(buf);  
}  

12.3 从管道读取数据

从读取管道的数据,需要访问source通道,像这样:

Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();  

调用source通道的read()方法来读取数据,像这样:

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  

int bytesRead = inChannel.read(buf);  

read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区

13. 总结

本文中说了最重要的3个概念

  • Channel 通道
  • Buffer 缓冲区
  • Selector 选择器

其中Channel对应以前的流,Buffer不是什么新东西,Selector是因为nio可以使用异步的非堵塞模式才加入的东西。

以前的流总是堵塞的,一个线程只要对它进行操作,其它操作就会被堵塞,也就相当于水管没有阀门,你伸手接水的时候,不管水到了没有,你就都只能耗在接水(流)上。

nio的Channel的加入,相当于增加了水龙头(有阀门),虽然一个时刻也只能接一个水管的水,但依赖轮换策略,在水量不大的时候,各个水管里流出来的水,都可以得到妥善接纳,这个关键之处就是增加了一个接水工,也就是Selector,他负责协调,也就是看哪根水管有水了的话,在当前水管的水接到一定程度的时候,就切换一下:临时关上当前水龙头,试着打开另一个水龙头(看看有没有水)。

当其他人需要用水的时候,不是直接去接水,而是事前提了一个水桶给接水工,这个水桶就是Buffer。也就是,其他人虽然也可能要等,但不会在现场等,而是回家等,可以做其它事去,水接满了,接水工会通知他们。

这其实也是非常接近当前社会分工细化的现实,也是统分利用现有资源达到并发效果的一种很经济的手段,而不是动不动就来个并行处理,虽然那样是最简单的,但也是最浪费资源的方式。

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