Java--NIO

【笔记于学习尚硅谷课程所作】

1、Java NIO简介

​  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。
​  NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支 持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器

2、缓冲区(Buffer)和通道(Channel)

​  Java NIO系统的核心在于:通道(Channel)和缓冲区(Buffer)。 通道表示打开到IO设备的连接。若需要使用NIO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

 简而言之，Channel（通道）负责传输,Buffer（缓冲区）负责存储

2.1 缓冲区(Buffer)

1.缓冲区(Buffer)

​  在Java NIO中负责数据的存取。缓冲区就是数组。用于存储不同数据类型的数据

//通过allocate获取缓冲区,分配一个指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

2.缓冲区的数据操作

• put()：存入数据到缓冲区
  • put(byteb)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
  • put(byte[] src)：将src中的字节写入缓冲区的当前位置
  • put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动position)
• get()：获取缓冲区中的数据
  • get()：读取单个字节
  • get(byte[] dst)：批量读取多个字节到dst中
  • get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动position)

3.缓冲区的四个核心属性

• 容量(capacity)：（最大存储容量）表示Buffer最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改

• 限制(limit)：（可以操作数据的大小）第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于limit后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量

• 位置(position)：（正在操作数据的位置）下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制

• 标记(mark)与重置(reset)：标记是一个索引，通过Buffer中的mark()方法指定Buffer中一个特定的position,之后可以通过调用reset()方法恢复到这个position

  标记、位置、限制、容量遵守以下不变式:

$0 <= mark <= position <= limit <= capacity$

4.Buffer的常用方法

方法	描述
Buffer clear ()	清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip()	将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置充值为0
int capacity()	返回Buffer的capacity 大小
boolean hasRemaining()	判断缓冲区中是否还有元素
int limit ()	返回Buffer 的界限(limit)的位置
Buffer limit(int n)	将设置缓冲区界限为n,并返回一个具有新limit的缓冲区对象
Buffer mark()	对缓冲区设置标记
int position()	返回缓冲区的当前位置position
Buffer position(int n)	将设置缓冲区的当前位置为n，并返回修改后的Buffer 对象
int remaining()	返回position 和limit 之间的元素个数
Buffer reset()	将位置position 转到以前设置的mark 所在的位置
Buffer rewind ()	将位置设为为0，取消设置 的mark

5.直接缓冲区与非直接缓冲区

（1）非直接缓冲区：通过allocate()方法分配缓冲区,将缓冲区建立在JVM的内存中

（2）直接缓冲区：通过allocateDirect()方法分配直接缓冲区,将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率

3、文件通道(FileChannel)

​  通道(Channel) :用于源节点与目标节点的连接。在Java NIO中负责缓冲区中数据的传输。本身就是处理器，和DMA类似，不需要请求CPU

3.1 实现了 Channel接口的实现类

• FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
• DatagramChannel：通过UDP 读写网络中的数据通道。
• SocketChannel：通过TCP读写网络中的数据。
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个Socke tChannel。

3.2 获取通道的方法

• getChannel方法，支持这个方法的类有：
  • （本地IO）FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile
  • （网络IO）DatagramSocket、Socket、ServerSocket
• 在JDK1.7中的NI0.2针对各个通道提供了静态方法open()
• 在JDK 1.7中的NIO.2的Files工具类的newByteChanne1()

3.3 通道的数据传输

1.通道之间的数据传输（直接缓冲区）[重要]

@Test
public void test() throws IOException{
	FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("1.mkv"),StandardOpenOption.READ);
	FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.mkv"),StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.CREATE);
	//inChannel.transferTo(0,inChannel.size(),outChannel);与下作用相同
	outChannel.transferFrom(inChannel,0,inChannel.size());
	
    inChannel.close();
	outChannel.close();
}

2.使用内存映射文件（直接缓冲区）

@Test
public void test() throws IOException{
	FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("1.mkv"),StandardOpenOption.READ);
	FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.mkv"),StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.CREATE);
	
    //内存映射文件
    MappedByteBuffer inMappedBuf = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY,0,inChannel.size());
	MappedByteBuffer outMappedBuf = outChannel.map(MapMode.READ_WRITE,0,inChannel.size());

    //直接对缓冲区进行数据的读写操作
    byte[] dst = new byte [inMappedBuf.limit()];
	inMappedBuf.get(dst);
	outMappedBuf.put(dst);


    inChannel.close();
	outChannel.close();
}

3.利用通道完成文件的复制（非缓冲区）

@Test
public void test() {
	FileInputStream fis = nu1l;
	File0utputStream fos = nu1l;
	//获取通道
	FileChannel inChannel = nu1l;
	FileChannel outChannel = nu11;
    
	try {
		fis = new FileInputStream("1.jpg");
		fos = new FileOutputStream("2.jpg");
		inChannel = fis.getChannel();
		outChannel = fos.getChannel();
        
		//分配指定大小的缓冲区
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        
		//将通道中的数据存入缓冲区中
		while(inChannel.read(buf) != -1){
			buf.flip(); //切换读取数据的模式
			//将缓冲区中的数据写入通道中
			outChannel.write(buf);
			buf.clear(); //清空缓冲区
		}
	} catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }finally{
        if(outChannel != nu1l){
			try {
				outChannel.close();
			} catch (IOException e) {
				e. printStackTrace();
			}
        }     
		
         if(inChannel != nu1l){
			try {
				inChannel.close();
			} catch (IOException e) {
				e. printStackTrace();
			}
        }  
        
         if(fos != nu1l){
			try {
				fos.close();
			} catch (IOException e) {
				e. printStackTrace();
			}
        }  
        
         if(fis != nu1l){
			try {
				fis.close();
			} catch (IOException e) {
				e. printStackTrace();
			}
        }  
    }

}

3.4 分散(Scatter)和聚集(Gather)

• 分散读取(Scattering Reads)：将通道中的数据分散到多个缓冲区中
• 聚集写入(Gathering Writes)：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中

3.5 编码与解码

@Test
public void test() throws IOException{
	Charset cs1 = Charset.forName ("GBK");
	//获取编码器
	CharsetEncoder ce = cs1.newEncoder();
	//获取解码器
	CharsetDecoder cd = cs1.newDecoder();

    CharBuffer cBuf = CharBuffer.allocate(1024);
	cBuf.put("测试");
	cBuf.f1ip();

    //编码
	ByteBuffer bBuf = ce.encode(cBuf);
	for(int i=0;i<12;i++){
		System.out.println(bBuf.get());
    }
    
    //解码
	bBuf.flip();
	CharBuffer cBuf2 = cd.decode(bBuf);
	System.out.println(cBuf2.toString());

    
}

3.6 FileChannel 的常用方法

方法	描述
int read (ByteBuffer dst)	从Channel中读取数据到ByteBuffer
long read (ByteBuffer[] dsts)	将Channel中的数据“分散”到ByteBuffer []
int write (ByteBuffer src)	将ByteBuffer中的数据写入到Channel
long write (ByteBuffer[] srcs)	将ByteBuffer[] 中的数据“聚集”到Channel
long position()	返回此通道的文件位置
FileChannel position(long p)	设置此通道的文件位置
long size()	返回此通道的文件的当前大小
FileChannel truncate(long s)	将此通道的文件截取为给定大小
void force (boolean metaData)	强制将所有对此通道的文件更新写入到存储设备中

4、NIO的非阻塞式网络通信

使用NIO完成网络通信的三个核心：

• 通道（Channel）：负责连接（在java.nio.channels.Channel接口–>抽象实现类SelectableChannel的具体常用子类有：）
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel
  • Pipe.SinkChannel
  • Pipe.SourseChannel
• 缓冲区（Buffer）：负责数据的存取
• 选择器（Selector）：是SelectableChannel的多路复用器

4.1 阻塞与非阻塞

• 传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，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写入，该线程在此期间不 能执行其他任务。（传统的解决方式：多线程）

• Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时 间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

4.2选择器(Selector)

​  选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。

​  当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。 可以监听的事件类型（可使用SelectionKey的四个常量表示），若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。

• 读：SelectionKey.OP_ READ

• 写：SelectionKey.OP_ WRITE

• 连接：SelectionKey.OP_ CONNECT

• 接收：SelectionKey.OP_ ACCEPT

  SelectionKey：表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。

方法	描述
int interestOps ()	获取感兴趣事件集合
int readyOps ()	获取通道已经准备就绪的操作的集合
SelectableChannel channel ()	获取注册通道
Selector selector ()	返回选择器
boolean isReadable()	检测Channal中读事件是否就绪
boolean isWritable()	检测Channal中写事件是否就绪
boolean isConnectable()	检测Channel中连接是否就绪
boolean isAcceptable()	检测Channel 中接收是否就绪

选择器Selector 的常用方法

方法	描述
Set keys ()	所有的SelectionKey 集合。代表注册在该Selector上的Channel
selectedKeys ()	被选择的SelectionKey 集合。返回此Se lector的已选择键集
int select ()	监控所有注册的Channel,当它们中间有需要处理的IO操作时，该方法返回，并将对应得的SelectionKey 加入被选择的SelectionKey集合中，该方法返回这些Channel的数量。
int select (long timeout)	可以设置超时时长的select() 操作
int selectNow()	执行一个立即返回的select() 操作，该方法不会阻塞线程
Selector wakeup()	使一个还未返回的select() 方法立即返回
void close ()	关闭该选择器

4.3 非阻塞通信实例（简易聊天）

1.服务端

	//服务端
    @Test
    public void server() throws IOException{
        //1.获取通道
        ServerSocketChannel ssChannel=ServerSocketChannel.open();

        //2.切换非阻塞式模式
        ssChannel.configureBlocking(false);

        //3.绑定连接
        ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));

        //4.获取选择器
        Selector selector=Selector.open();

        //5.将通道注册到选择器上，并且指定“监听接收事件”
        ssChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

        //6.轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件
        while(selector.select()>0){

            //7.获取当前选择器中所有注册的“选择键（已就绪的监听事件）”
            Iterator<SelectionKey> it=selector.selectedKeys().iterator();

            while(it.hasNext()){
                //8.获取准备“就绪”的事件
                SelectionKey sk=it.next();

                //9.判断具体是什么时间准备就绪
                if(sk.isAcceptable()){
                    //10.若“接收就绪”，获取客户端连接
                    SocketChannel sChannel=ssChannel.accept();

                    //11.切换非阻塞模式
                    sChannel.configureBlocking(false);

                    //12.将该通道注册到选择器上
                    sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }else if(sk.isReadable()){
                    //13.获取当前选择器上“读就绪”状态的通道
                    SocketChannel sChannel=(SocketChannel)sk.channel();
                    //14.读取数据
                    ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len=0;
                    while((len=sChannel.read(buf))>0){
                        buf.flip();
                        System.out.println(new String(buf.array(),0,len));
                        buf.clear();
                    }
                }
                //15.取消选择键SelectionKey
                it.remove();
            }
        }
    }

2.客户端

	 //客户端
    @Test
    public void client()throws IOException{
        //1.获取通道
        SocketChannel sChannel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
        //2.切换非阻塞模式
        sChannel.configureBlocking(false);
        //3.分配指定大小的缓冲区
        ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(1024);
        //4.发送数据给服务端
        Scanner scan=new Scanner(System.in);
        while(scan.hasNext()){
            String str=scan.next();
            buf.put((new Date().toString()+"\n"+str).getBytes());
            buf.flip();
            sChannel.write(buf);
            buf.clear();
        }
        //5.关闭通道
        sChannel.close();
    }

5、管道

​  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。