Java系列6 NIO

參考:
http://www.itdecent.cn/p/362b365e1bcc
http://www.itdecent.cn/p/5d2c68b89f1d
http://www.itdecent.cn/p/389e4571cd2c

一.NIO產(chǎn)生背景

  • 高并發(fā)場景的技術(shù)要求
    1）傳統(tǒng)IO即使使用線程池技術(shù)，面臨高并發(fā)時依然線程不足
    2）傳統(tǒng)阻塞I/O模式，大量線程在等待數(shù)據(jù)時被掛起，CPU利用率低，系統(tǒng)吞吐量差
    3）線程較長阻塞時間在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定場景下，將降低系統(tǒng)可靠性
  • 傳統(tǒng)IO特性
    1）IO是面向流的、阻塞的
    2）傳統(tǒng)IO模型中，一個連接對應(yīng)一個線程
    3）傳統(tǒng)IO面向流意味著連接每次從流中讀取一個或多個字節(jié)，直至全部讀取完畢，沒有緩存在任何地方，同時不能前后移動流中數(shù)據(jù)
    4）傳統(tǒng)IO的各種流是阻塞的，意味著當(dāng)線程調(diào)用read或write方法時將被阻塞，不能執(zhí)行其他操作
  • NIO特性
    1）NIO是面向塊的，非阻塞的
    2）NIO面向塊意味著將把數(shù)據(jù)讀取到一個稍后處理的緩沖區(qū)中，必要時可在緩沖區(qū)內(nèi)前后移動，增加數(shù)據(jù)處理的靈活性
    3）NIO非阻塞模式使得線程從某個通道讀取數(shù)據(jù)或者向某個通道寫數(shù)據(jù)的過程中，遇到數(shù)據(jù)等待時不會掛起，可執(zhí)行其他工作
    4）NIO通過將多個Channel以事件注冊到一個Selector實現(xiàn)由一個線程處理多個請求

二.NIO核心實現(xiàn)

NIO核心API Channel，Buffer，Selector。數(shù)據(jù)總是從Chanel讀取到Buffer，或從Buffer寫入Channel

1.通道Channel
  • 可以同時進(jìn)行讀寫(從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)，或?qū)憯?shù)據(jù)到緩沖區(qū))
  • 可以異步讀寫數(shù)據(jù)
2.緩沖區(qū)Buffer
  • 本質(zhì)是一個可以寫入數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，可以再次讀取
  • 讀寫數(shù)據(jù)一般遵循:
    1)寫數(shù)據(jù)到Buffer
    2)調(diào)用Buffer.flip()方法，將Buffer從寫模式切換到讀模式
    3)從Buffer讀取數(shù)據(jù)
    4)調(diào)用Buffer.clear() 或 Buffer.compat() 方法，清空Buffer
  • Buffer常用標(biāo)志:
    1)Buffer的大小/容量 - Capacity
    2)Buffer當(dāng)前讀寫位置 - Position
    3)Buffer中信息末尾位置 - Limit
    Buffer讀寫模式下的Capacity、Position、Limit

3.Selector

  • 多個Channel以事件的方式注冊到一個Selector，實現(xiàn)一個線程處理多個請求
    一個線程處理多個請求

  • 調(diào)用Selector的select()或selectNow()方法時只返回有數(shù)據(jù)讀取的SelectableChannel實例


    返回有數(shù)據(jù)讀取的Channel

三.NIO常用方法

1.Buffer類的flip、clear、compact方法

本質(zhì)是設(shè)置控制Buffer狀態(tài)的position、limit、capacity三個變量

  • flip方法
    使Buffer從讀狀態(tài)轉(zhuǎn)為寫狀態(tài)：當(dāng)前position設(shè)置為limit，并將position指向數(shù)據(jù)開始位置
public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
 }
flip方法變讀狀態(tài)為寫狀態(tài)
  • clear方法
    重設(shè)緩沖區(qū)以重新接收字符
public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}
clear方法將緩沖區(qū)position清零
  • compact方法
    與clear方法類似，但只清空已讀取的數(shù)據(jù)，還未讀取的數(shù)據(jù)仍保留在緩沖區(qū)

2.Channel類

  • configureBlocking()和register() 
channel.configureBlocking(false);  //設(shè)置channel為非阻塞
SelectionKey key =channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);  //注冊channel

3.Selector類

  • SelectionKey
    注冊到Selector上的實例
    1）register()方法注冊的事件類型有4種
    Connect 某個Channel成功連接到另一服務(wù)器
    Accept 某個ServerSocketChannel準(zhǔn)備好接收新連接
    Read 某個Channel有數(shù)據(jù)可讀
    Write 某個Channel等待寫數(shù)據(jù)
    2）對應(yīng)于SelectionKey的常量
    SelectionKey.OP_CONNECT
    SelectionKey.OP_ACCEPT
    SelectionKey.OP_READ
    SelectionKey.OP_WRITE
    3）SelectionKey包含如下屬性
    The interest set 感興趣的事件的集合
    The ready set 已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的操作的集合
    The Channel
    The Selector
    An attached object(optional) 將對象或信息attach到SelectionKey以便識別
  • select()
    返回int值表示有多少通道已就緒，包含重載方法
    1）int select()：阻塞到至少有一個通道在注冊的事件上就緒
    2）int select(long timeout)：和select()一樣，但設(shè)定阻塞時間上限timeout毫秒
    3）int selectNow()：不會阻塞，不管什么通道就緒都立刻返回。如果自從前一次select后沒有通道就緒，則返回0
  • selectedKeys()
    在調(diào)用select()獲取就緒通道數(shù)后，可通過selectedKeys()方法返回就緒的Channel，之后可通過迭代SelectionKey獲得就緒的Channel
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();
}
  • 注意
    1）Selector對象并不會從自己的SelectedKey集合中自動移除SelectedKey實例，需要在處理完一個Channel時調(diào)用keyIterator.remove()方法手動移除，下一次Channel就緒時，Selector會再將它添加到SelectedKey集合中
    2）SelectionKey.channel()方法返回的channel需要轉(zhuǎn)成具體要處理的類型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等
  • wakeup()
    略
  • open()和close()
    使用Selector前調(diào)用Selector.open()打開Selector
    使用Selector后調(diào)用Selector.close()關(guān)閉Selector并使注冊到該Selector上的所有SelectionKey實例無效，但通道本身并不會關(guān)閉

四.NIO實踐

1.從文件讀取數(shù)據(jù)

  • 讀數(shù)據(jù)步驟
    1）從FileInputStream獲取Channel
    2）創(chuàng)建Buffer
    3）從Channel讀取數(shù)據(jù)到Buffer
FileInputStream fin = new FileInputStream("ReadTest.txt");
FileChanel fc = fim.getChannel();  //獲取通道
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  //創(chuàng)建緩沖區(qū)
fc.read(buffer);  //從通道讀入數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
  • 寫數(shù)據(jù)步驟
    1）從FileOutputStream獲取Channel
    2）創(chuàng)建Buffer，并將數(shù)據(jù)放入Buffer
    3）把Buffer中數(shù)據(jù)寫入Channel
FileOutputStream fout = new FileOutputStream("WriteTest.txt");
FileChannel fc = fout.getChannel;  //獲取通道
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  //創(chuàng)建緩沖區(qū)
for(int i = 0 ; i < message.length ; i++) {
  buffer.put( message[i] );
}    //將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)
buffer.flip();  //切換緩沖區(qū)為寫模式
fc.write(buffer);  //將緩沖區(qū)內(nèi)容寫入通道
  • 讀寫結(jié)合例程
/**
 * 用java NIO api拷貝文件
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //聲明源文件和目標(biāo)文件
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //獲得傳輸通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //獲得容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判斷是否讀完文件
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重設(shè)一下buffer的position=0，limit=position
                buffer.flip();
                //開始寫
                outChannel.write(buffer);
                //寫完要重置buffer，重設(shè)position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}

2.網(wǎng)絡(luò)Socket使用NIO

  • 步驟

  • 例程

  public void client() throws Exception{
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3000));
        socketChannel.configureBlocking(false);
        
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(scanner.hasNext()){
            String str = scanner.next();
            buffer.put(str.getBytes());
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();
        }

public void server() throws Exception {
        // 獲取通道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 設(shè)置為非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
        // 綁定端口
        serverChannel.bind(new InetSocketAddress(3000));

        // 創(chuàng)建連接器
        Selector selector = Selector.open();
        // 將連接器注冊到channel，并設(shè)置監(jiān)聽事件（接受事件）
        // SelectionKey.OP_CONNECT:鏈接狀態(tài)
        // SelectionKey.OP_READ:讀狀態(tài)
        // SelectionKey.OP_WRITE:寫狀態(tài)
        // SelectionKey.OP_ACCEPT:接受狀態(tài)，當(dāng)接受準(zhǔn)備就緒，開始進(jìn)行下一步操作
        // 通過 | 進(jìn)行鏈接可以監(jiān)聽多個狀態(tài)
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 輪尋獲取選擇器上已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)
        while (selector.select() > 0) {
            // 獲取所有的監(jiān)聽Key
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()) {
                    // 若獲取狀態(tài)就緒，就獲取客戶端的鏈接
                    SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
                    // 將客戶端的鏈接設(shè)置為非阻塞狀態(tài)
                    clientChannel.configureBlocking(false);
                    // 給該通道注冊到選擇器上,并設(shè)置狀態(tài)為讀就緒
                    clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len = 0;
                    while ((len = channel.read(buffer)) > 0) {
                        buffer.flip();
                        System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
                        buffer.clear();
                    }
                }
                // 取消處理完了的選擇建
                iterator.remove();
            }
        }
    }

愿將腰下劍，直為斬樓蘭

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