NIO--01基本介绍

简介

Java NIO 是由 Java 1.4 引进的异步 IO.
Java NIO 由以下几个核心部分组成:

• Channel

• Buffer

• Selector

NIO 和 IO 的对比

IO 和 NIO 的区别主要体现在三个方面:

• IO 基于流(Stream oriented), 而 NIO 基于 Buffer (Buffer oriented)

• IO 操作是阻塞的, 而 NIO 操作是非阻塞的

• IO 没有 selector 概念, 而 NIO 有 selector 概念.

基于 Stream 与基于 Buffer

传统的 IO 是面向字节流或字符流的, 而在 NIO 中, 我们抛弃了传统的 IO 流, 而是引入了 Channel 和 Buffer 的概念. 在 NIO 中, 我只能从 Channel 中读取数据到 Buffer 中或将数据从 Buffer 中写入到 Channel.
那么什么是 基于流 呢? 在一般的 Java IO 操作中, 我们以流式的方式顺序地从一个 Stream 中读取一个或多个字节, 因此我们也就不能随意改变读取指针的位置.
而 基于 Buffer 就显得有点不同了. 我们首先需要从 Channel 中读取数据到 Buffer 中, 当 Buffer 中有数据后, 我们就可以对这些数据进行操作了. 不像 IO 那样是顺序操作, NIO 中我们可以随意地读取任意位置的数据.

阻塞和非阻塞

Java 提供的各种 Stream 操作都是阻塞的, 例如我们调用一个 read 方法读取一个文件的内容, 那么调用 read 的线程会被阻塞住, 直到 read 操作完成.
而 NIO 的非阻塞模式允许我们非阻塞地进行 IO 操作. 例如我们需要从网络中读取数据, 在 NIO 的非阻塞模式中, 当我们调用 read 方法时, 如果此时有数据, 则 read 读取并返回; 如果此时没有数据, 则 read 直接返回, 而不会阻塞当前线程.

selector

selector 是 NIO 中才有的概念, 它是 Java NIO 之所以可以非阻塞地进行 IO 操作的关键.
通过 Selector, 一个线程可以监听多个 Channel 的 IO 事件, 当我们向一个 Selector 中注册了 Channel 后, Selector 内部的机制就可以自动地为我们不断地查询(select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 IO 事件(例如可读, 可写, 网络连接完成等). 通过这样的 Selector 机制, 我们就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 了.

Java NIO Channel

通常来说, 所有的 NIO 的 I/O 操作都是从 Channel 开始的. 一个 channel 类似于一个 stream.
java Stream 和 NIO Channel 对比

• 我们可以在同一个 Channel 中执行读和写操作, 然而同一个 Stream 仅仅支持读或写.

• Channel 可以异步地读写, 而 Stream 是阻塞的同步读写.

• Channel 总是从 Buffer 中读取数据, 或将数据写入到 Buffer 中.

Channel 类型有:

• FileChannel, 文件操作

• DatagramChannel, UDP 操作

• SocketChannel, TCP 操作

• ServerSocketChannel, TCP 操作, 使用在服务器端.
  这些通道涵盖了 UDP 和 TCP网络 IO以及文件 IO.

基本的 Channel 使用例子:

public static void main( String[] args ) throws Exception
{
    RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/xiongyongshun/settings.xml", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

    int bytesRead = inChannel.read(buf);
    while (bytesRead != -1) {
        buf.flip();

        while(buf.hasRemaining()){
            System.out.print((char) buf.get());
        }

        buf.clear();
        bytesRead = inChannel.read(buf);
    }
    aFile.close();
}

FileChannel

FileChannel 是操作文件的Channel, 我们可以通过 FileChannel 从一个文件中读取数据, 也可以将数据写入到文件中.
注意, FileChannel 不能设置为非阻塞模式.

打开 FileChannel

RandomAccessFile aFile     = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
FileChannel      inChannel = aFile.getChannel();

从 FileChannel 中读取数据

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

写入数据

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);
}

关闭

当我们对 FileChannel 的操作完成后, 必须将其关闭

channel.close(); 

设置 position

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

文件大小

我们可以通过 channel.size()获取关联到这个 Channel 中的文件的大小. 注意, 这里返回的是文件的大小, 而不是 Channel 中剩余的元素个数.

截断文件

channel.truncate(1024);

将文件的大小截断为1024字节.

强制写入

我们可以强制将缓存的未写入的数据写入到文件中:

channel.force(true);

SocketChannel

SocketChannel 是一个客户端用来进行 TCP 连接的 Channel.
创建一个 SocketChannel 的方法有两种:

• 打开一个 SocketChannel, 然后将其连接到某个服务器中

• 当一个 ServerSocketChannel 接受到连接请求时, 会返回一个 SocketChannel 对象.

打开 SocketChannel

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

关闭

socketChannel.close(); 

读取数据

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

如果 read()返回 -1, 那么表示连接中断了.

写入数据

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);
}

非阻塞模式

我们可以设置 SocketChannel 为异步模式, 这样我们的 connect, read, write 都是异步的了.

连接

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

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

在异步模式中, 或许连接还没有建立, connect 方法就返回了, 因此我们需要检查当前是否是连接到了主机, 因此通过一个 while 循环来判断.

读写

在异步模式下, 读写的方式是一样的.
在读取时, 因为是异步的, 因此我们必须检查 read 的返回值, 来判断当前是否读取到了数据.

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 顾名思义, 是用在服务器为端的, 可以监听客户端的 TCP 连接, 例如:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

    //do something with socketChannel...
}

打开 关闭

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.close();

监听连接

我们可以使用ServerSocketChannel.accept()方法来监听客户端的 TCP 连接请求, accept()方法会阻塞, 直到有连接到来, 当有连接时, 这个方法会返回一个 SocketChannel 对象:

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

    //do something with socketChannel...
}

非阻塞模式

在非阻塞模式下, accept()是非阻塞的, 因此如果此时没有连接到来, 那么 accept()方法会返回null:

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...
        }
}

DatagramChannel

DatagramChannel 是用来处理 UDP 连接的.

打开

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

读取数据

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

channel.receive(buf);

发送数据

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("example.com", 80));

连接到指定地址

因为 UDP 是非连接的, 因此这个的 connect 并不是向 TCP 一样真正意义上的连接, 而是它会讲 DatagramChannel 锁住, 因此我们仅仅可以从指定的地址中读取或写入数据.

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

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