NIO学习总结与实战

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前言

Java NIO 是从jdk1.4版本开始引入的一个新的IO API,可以代替标准的JavaIO API.你可以称它为NEW IO亦或non-blocking IO,NIO 支持面向缓冲区，基于通道的IO操作，NIO以更加高效的方式进行文件的读写操作。

NIO与IO的区别

NIO	IO
面向缓冲区(Buffer)	面向流(Stream)
非阻塞IO(non-blocking io)	阻塞IO(blocking io)
选择器(Selectors)	无

NIO的三个核心

1. Buffer
2. Channel
3. Selectors

Buffer

缓冲区，用于存储数据，Buffer就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同(boolean 除外)，有以下Buffer常用子类:

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

它们都采用相似的方法进行管理数据，都是通过调用静态方法获得Buffer对象：

static XxxxBuffer allocate(int capacity)

Buffer中重要的概念：

• capacity(容量)：表示Buffer最大数据容量，缓存区容量不能为负，并且创建后不能更改。
• limit(限制)：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。
• position(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。
• mark(标记)和reset(重置)：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。

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 0， 取消设置的 mark

缓冲区的数据操作：

Buffer的所有子类都提供了get()和put()方法进行数据操作

获取 Buffer 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)

放入数据到 Buffer 中：

• put(byte b)：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)

Channel

通道，用于运输数据（运输buffer），注意普通IO的流是单向的，Channel是双向的。

Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下：

• 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 SocketChannel。

获取通道：

1. 过通道类的静态方法 open() 打开并返回指定通道
2. 使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道
3. 对支持通道的对象调用getChannel() 方法。
   支持通道的的类有：FileInputStream， FileOutputStream，RandomAccessFile，DatagramSocket， Socket，ServerSocket

Selectors

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。

SelectableChannel 的结构如下图：

选择器（ Selector）的应用：
创建 Selector ：通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector

Select selector = Selector.open();

向选择器注册通道:SelectableChannel.register(Selector sel,int ops)

Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"),10086);
//获取SocketChannel
SocketChannel channel = socket.getChannel();
//创建选择器
Selector selector = Selector.open();
//将SocketChannel切换到非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//向Selector 注册 Channel
SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

注意当调用 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）：

• 读 : SelectionKey.OP_READ （ 1）
• 写 : SelectionKey.OP_WRITE （ 4）
• 连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （ 8）
• 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （ 16）

若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。
如：

int even = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE;

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。

SelectionKey常用方法:

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

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Selector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

实战案例（简单的NIO Scoket通信）

客户端:

/**
 * @author [email protected]
 * @date 18-6-3 上午9:54
 */
public class NIOClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
        socketChannel.configureBlocking(false);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        String username = UUID.randomUUID().toString().replace("-","");
        //发数据
        Scanner cin = new Scanner(System.in);
        while (cin.hasNext()) {
            String content = cin.nextLine();
            buffer.put(("["+LocalDateTime.now().toString() + "]" +username+"说: "+ content).getBytes());
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
//            socketChannel.shutdownOutput();
            buffer.clear()
        }
        socketChannel.close();
    }
}

服务器端:

/**
 * @author [email protected]
 * @date 18-6-3 上午9:54
 */
public class NIOServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(9898));
        Selector selector = Selector.open();
        //注册选择器
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //手动轮询
        //当前线程阻塞
        while (selector.select() > 0) {
            //阻塞操作,获取选择器上已经"准备就绪"的事件,当至少有一个通道被选择时才返回
            //获取多路选择器上的已选择的键集，这个键集是就绪状态的通道的集合，
            // 还有一个方法叫keys()返回的是注册到这个多路复选器上的键，不管是就绪状态的还是非就绪状态的。
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey sk = keyIterator.next();
                if (sk.isAcceptable()) {//如果有连接
                    SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (sk.isReadable()) {
                    new Thread(new NIOServerRead(sk)).start();
                }
                keyIterator.remove();
            }
        }
        //关闭通道
        //ssc.close();
    }
}

class NIOServerRead implements Runnable {
    //
    SelectionKey selectionKey;

    SocketChannel socketChannel;

    public NIOServerRead(SelectionKey selectionKey) {
        this.selectionKey = selectionKey;
        socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
    }

    @Override
    public void run() {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        try {
            int len = 0;
            while ((len = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
                buffer.flip();
                System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            selectionKey.cancel();
            try {
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果: