Java NIO核心組件有哪些

Java NIO核心組件有哪些？這個(gè)問題可能是我們?nèi)粘W(xué)習(xí)或工作經(jīng)常見到的。希望通過這個(gè)問題能讓你收獲頗深。下面是小編給大家?guī)淼膮⒖純?nèi)容，讓我們一起來看看吧！

同步、異步、阻塞、非阻塞

首先，這幾個(gè)概念非常容易搞混淆，但NIO中又有涉及，所以總結(jié)一下[1]。

• 同步：API調(diào)用返回時(shí)調(diào)用者就知道操作的結(jié)果如何了（實(shí)際讀取/寫入了多少字節(jié)）。

• 異步：相對(duì)于同步，API調(diào)用返回時(shí)調(diào)用者不知道操作的結(jié)果，后面才會(huì)回調(diào)通知結(jié)果。

• 阻塞：當(dāng)無數(shù)據(jù)可讀，或者不能寫入所有數(shù)據(jù)時(shí)，掛起當(dāng)前線程等待。

• 非阻塞：讀取時(shí)，可以讀多少數(shù)據(jù)就讀多少然后返回，寫入時(shí)，可以寫入多少數(shù)據(jù)就寫入多少然后返回。

對(duì)于I/O操作，根據(jù)Oracle官網(wǎng)的文檔，同步異步的劃分標(biāo)準(zhǔn)是“調(diào)用者是否需要等待I/O操作完成”，這個(gè)“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要讀取到數(shù)據(jù)或者說寫入所有數(shù)據(jù)，而是指真正進(jìn)行I/O操作時(shí)，比如數(shù)據(jù)在TCP/IP協(xié)議棧緩沖區(qū)和JVM緩沖區(qū)之間傳輸?shù)倪@段時(shí)間，調(diào)用者是否要等待。

所以，我們常用的 read() 和 write() 方法都是同步I/O，同步I/O又分為阻塞和非阻塞兩種模式，如果是非阻塞模式，檢測(cè)到無數(shù)據(jù)可讀時(shí)，直接就返回了，并沒有真正執(zhí)行I/O操作。

總結(jié)就是，Java中實(shí)際上只有 同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O 與 異步I/O 三種機(jī)制，我們下文所說的是前兩種，JDK 1.7才開始引入異步 I/O，那稱之為NIO.2。

傳統(tǒng)IO

我們知道，一個(gè)新技術(shù)的出現(xiàn)總是伴隨著改進(jìn)和提升，Java NIO的出現(xiàn)亦如此。

傳統(tǒng) I/O 是阻塞式I/O，主要問題是系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。比如我們?yōu)榱俗x取一個(gè)TCP連接的數(shù)據(jù)，調(diào)用 InputStream 的 read() 方法，這會(huì)使當(dāng)前線程被掛起，直到有數(shù)據(jù)到達(dá)才被喚醒，那該線程在數(shù)據(jù)到達(dá)這段時(shí)間內(nèi)，占用著內(nèi)存資源（存儲(chǔ)線程棧）卻無所作為，也就是俗話說的占著茅坑不拉屎，為了讀取其他連接的數(shù)據(jù)，我們不得不啟動(dòng)另外的線程。在并發(fā)連接數(shù)量不多的時(shí)候，這可能沒什么問題，然而當(dāng)連接數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模，內(nèi)存資源會(huì)被大量線程消耗殆盡。另一方面，線程切換需要更改處理器的狀態(tài)，比如程序計(jì)數(shù)器、寄存器的值，因此非常頻繁的在大量線程之間切換，同樣是一種資源浪費(fèi)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了新的I/O機(jī)制，可以避免這種資源浪費(fèi)?；诖?，誕生了Java NIO，NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。緊接著我們發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的使用非阻塞I/O并不能解決問題，因?yàn)樵诜亲枞Ｊ较?，read()方法在沒有讀取到數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)立即返回，不知道數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)的我們，只能不停的調(diào)用read()方法進(jìn)行重試，這顯然太浪費(fèi)CPU資源了，從下文可以知道，Selector組件正是為解決此問題而生。

Java NIO 核心組件

1.Channel

概念

Java NIO中的所有I/O操作都基于Channel對(duì)象，就像流操作都要基于Stream對(duì)象一樣，因此很有必要先了解Channel是什么。以下內(nèi)容摘自JDK 1.8的文檔

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.

從上述內(nèi)容可知，一個(gè)Channel（通道）代表和某一實(shí)體的連接，這個(gè)實(shí)體可以是文件、網(wǎng)絡(luò)套接字等。也就是說，通道是Java NIO提供的一座橋梁，用于我們的程序和操作系統(tǒng)底層I/O服務(wù)進(jìn)行交互。

通道是一種很基本很抽象的描述，和不同的I/O服務(wù)交互，執(zhí)行不同的I/O操作，實(shí)現(xiàn)不一樣，因此具體的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起來跟Stream比較像，可以讀取數(shù)據(jù)到Buffer中，也可以把Buffer中的數(shù)據(jù)寫入通道。

當(dāng)然，也有區(qū)別，主要體現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：

• 一個(gè)通道，既可以讀又可以寫，而一個(gè)Stream是單向的（所以分 InputStream 和 OutputStream）

• 通道有非阻塞I/O模式

實(shí)現(xiàn)

Java NIO中最常用的通道實(shí)現(xiàn)是如下幾個(gè)，可以看出跟傳統(tǒng)的 I/O 操作類是一一對(duì)應(yīng)的。

• FileChannel：讀寫文件

• DatagramChannel: UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信

• SocketChannel：TCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信

• ServerSocketChannel：監(jiān)聽TCP連接

2.Buffer

NIO中所使用的緩沖區(qū)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的byte數(shù)組，而是封裝過的Buffer類，通過它提供的API，我們可以靈活的操縱數(shù)據(jù)，下面細(xì)細(xì)道來。

與Java基本類型相對(duì)應(yīng)，NIO提供了多種 Buffer 類型，如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等，區(qū)別就是讀寫緩沖區(qū)時(shí)的單位長(zhǎng)度不一樣（以對(duì)應(yīng)類型的變量為單位進(jìn)行讀寫）。

Buffer中有3個(gè)很重要的變量，它們是理解Buffer工作機(jī)制的關(guān)鍵，分別是

• capacity （總?cè)萘浚?/p>

• position （指針當(dāng)前位置）

• limit （讀/寫邊界位置）

Buffer的工作方式跟C語言里的字符數(shù)組非常的像，類比一下，capacity就是數(shù)組的總長(zhǎng)度，position就是我們讀/寫字符的下標(biāo)變量，limit就是結(jié)束符的位置。Buffer初始時(shí)3個(gè)變量的情況如下圖

在對(duì)Buffer進(jìn)行讀/寫的過程中，position會(huì)往后移動(dòng)，而 limit 就是 position 移動(dòng)的邊界。由此不難想象，在對(duì)Buffer進(jìn)行寫入操作時(shí)，limit應(yīng)當(dāng)設(shè)置為capacity的大小，而對(duì)Buffer進(jìn)行讀取操作時(shí)，limit應(yīng)當(dāng)設(shè)置為數(shù)據(jù)的實(shí)際結(jié)束位置。（注意：將Buffer數(shù)據(jù) 寫入 通道是Buffer 讀取 操作，從通道 讀取 數(shù)據(jù)到Buffer是Buffer 寫入 操作）

在對(duì)Buffer進(jìn)行讀/寫操作前，我們可以調(diào)用Buffer類提供的一些輔助方法來正確設(shè)置 position 和 limit 的值，主要有如下幾個(gè)

• flip(): 設(shè)置 limit 為 position 的值，然后 position 置為0。對(duì)Buffer進(jìn)行讀取操作前調(diào)用。

• rewind(): 僅僅將 position
   置0。一般是在重新讀取Buffer數(shù)據(jù)前調(diào)用，比如要讀取同一個(gè)Buffer的數(shù)據(jù)寫入多個(gè)通道時(shí)會(huì)用到。

• clear(): 回到初始狀態(tài)，即 limit 等于 capacity，position 置0。重新對(duì)Buffer進(jìn)行寫入操作前調(diào)用。

• compact(): 將未讀取完的數(shù)據(jù)（position 與 limit 之間的數(shù)據(jù)）移動(dòng)到緩沖區(qū)開頭，并將 position
   設(shè)置為這段數(shù)據(jù)末尾的下一個(gè)位置。其實(shí)就等價(jià)于重新向緩沖區(qū)中寫入了這么一段數(shù)據(jù)。

然后，看一個(gè)實(shí)例，使用 FileChannel 讀寫文本文件，通過這個(gè)例子驗(yàn)證通道可讀可寫的特性以及Buffer的基本用法（注意 FileChannel 不能設(shè)置為非阻塞模式）。

FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
channel.position(channel.size());  // 移動(dòng)文件指針到末尾（追加寫入）

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);

// 數(shù)據(jù)寫入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); // 移動(dòng)文件指針到開頭（從頭讀?。?
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();

// 讀出所有數(shù)據(jù)
byteBuffer.clear();
while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
    byteBuffer.flip();

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

    byteBuffer.compact(); // 數(shù)據(jù)可能有剩余
}

channel.close();

這個(gè)例子中使用了兩個(gè)Buffer，其中 byteBuffer 作為通道讀寫的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，charBuffer 用于存儲(chǔ)解碼后的字符。clear() 和 flip() 的用法正如上文所述，需要注意的是最后那個(gè) compact() 方法，即使 charBuffer 的大小完全足以容納 byteBuffer 解碼后的數(shù)據(jù)，這個(gè) compact() 也必不可少，這是因?yàn)槌Ｓ弥形淖址腢TF-8編碼占3個(gè)字節(jié)，因此有很大概率出現(xiàn)在中間截?cái)嗟那闆r，請(qǐng)看下圖：

當(dāng) Decoder 讀取到緩沖區(qū)末尾的 0xe4 時(shí)，無法將其映射到一個(gè) Unicode，decode()方法第三個(gè)參數(shù) false 的作用就是讓 Decoder 把無法映射的字節(jié)及其后面的數(shù)據(jù)都視作附加數(shù)據(jù)，因此 decode() 方法會(huì)在此處停止，并且 position 會(huì)回退到 0xe4 的位置。如此一來， 緩沖區(qū)中就遺留了“中”字編碼的第一個(gè)字節(jié)，必須將其 compact 到前面，以正確的和后序數(shù)據(jù)拼接起來。

BTW，例子中的 CharsetDecoder 也是 Java NIO 的一個(gè)新特性，所以大家應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)哈，NIO的操作是面向緩沖區(qū)的（傳統(tǒng)I/O是面向流的）。

至此，我們了解了 Channel 與 Buffer 的基本用法。接下來要說的是讓一個(gè)線程管理多個(gè)Channel的重要組件。

3.Selector

Selector 是什么

Selector（選擇器）是一個(gè)特殊的組件，用于采集各個(gè)通道的狀態(tài)（或者說事件）。我們先將通道注冊(cè)到選擇器，并設(shè)置好關(guān)心的事件，然后就可以通過調(diào)用select()方法，靜靜地等待事件發(fā)生。

通道有如下4個(gè)事件可供我們監(jiān)聽：

• Accept：有可以接受的連接

• Connect：連接成功

• Read：有數(shù)據(jù)可讀

• Write：可以寫入數(shù)據(jù)了

為什么要用Selector

前文說了，如果用阻塞I/O，需要多線程（浪費(fèi)內(nèi)存），如果用非阻塞I/O，需要不斷重試（耗費(fèi)CPU）。Selector的出現(xiàn)解決了這尷尬的問題，非阻塞模式下，通過Selector，我們的線程只為已就緒的通道工作，不用盲目的重試了。比如，當(dāng)所有通道都沒有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，也就沒有Read事件發(fā)生，我們的線程會(huì)在select()方法處被掛起，從而讓出了CPU資源。

使用方法

如下所示，創(chuàng)建一個(gè)Selector，并注冊(cè)一個(gè)Channel。

注意：要將 Channel 注冊(cè)到 Selector，首先需要將 Channel 設(shè)置為非阻塞模式，否則會(huì)拋異常。

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

register()方法的第二個(gè)參數(shù)名叫“interest set”，也就是你所關(guān)心的事件集合。如果你關(guān)心多個(gè)事件，用一個(gè)“按位或運(yùn)算符”分隔，比如

SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE復(fù)制代碼

這種寫法一點(diǎn)都不陌生，支持位運(yùn)算的編程語言里都這么玩，用一個(gè)整型變量可以標(biāo)識(shí)多種狀態(tài)，它是怎么做到的呢，其實(shí)很簡(jiǎn)單，舉個(gè)例子，首先預(yù)定義一些常量，它們的值（二進(jìn)制）如下

可以發(fā)現(xiàn)，它們值為1的位都是錯(cuò)開的，因此對(duì)它們進(jìn)行按位或運(yùn)算之后得出的值就沒有二義性，可以反推出是由哪些變量運(yùn)算而來。怎么判斷呢，沒錯(cuò)，就是“按位與”運(yùn)算。比如，現(xiàn)在有一個(gè)狀態(tài)集合變量值為 0011，我們只需要判斷 “0011 & OP_READ” 的值是 1 還是 0 就能確定集合是否包含 OP_READ 狀態(tài)。

然后，注意 register() 方法返回了一個(gè)SelectionKey的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象包含了本次注冊(cè)的信息，我們也可以通過它修改注冊(cè)信息。從下面完整的例子中可以看到，select()之后，我們也是通過獲取一個(gè) SelectionKey 的集合來獲取到那些狀態(tài)就緒了的通道。

一個(gè)完整實(shí)例

概念和理論的東西闡述完了（其實(shí)寫到這里，我發(fā)現(xiàn)沒寫出多少東西，好尷尬(⊙?⊙)），看一個(gè)完整的例子吧。

這個(gè)例子使用Java NIO實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單線程的服務(wù)端，功能很簡(jiǎn)單，監(jiān)聽客戶端連接，當(dāng)連接建立后，讀取客戶端的消息，并向客戶端響應(yīng)一條消息。

需要注意的是，我用字符 ‘0′（一個(gè)值為0的字節(jié)） 來標(biāo)識(shí)消息結(jié)束。

單線程Server

public class NioServer {

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 創(chuàng)建一個(gè)selector
    Selector selector = Selector.open();

    // 初始化TCP連接監(jiān)聽通道
    ServerSocketChannel listenChannel = ServerSocketChannel.open();
    listenChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
    listenChannel.configureBlocking(false);
    // 注冊(cè)到selector（監(jiān)聽其ACCEPT事件）
    listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

    // 創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);

    while (true) {
        selector.select(); //阻塞，直到有監(jiān)聽的事件發(fā)生
        Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();

        // 通過迭代器依次訪問select出來的Channel事件
        while (keyIter.hasNext()) {
            SelectionKey key = keyIter.next();

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

                System.out.println("與【" + channel.getRemoteAddress() + "】建立了連接！");

            } else if (key.isReadable()) { // 有數(shù)據(jù)可以讀取
                buffer.clear();

                // 讀取到流末尾說明TCP連接已斷開，
                // 因此需要關(guān)閉通道或者取消監(jiān)聽READ事件
                // 否則會(huì)無限循環(huán)
                if (((SocketChannel) key.channel()).read(buffer) == -1) {
                    key.channel().close();
                    continue;
                } 

                // 按字節(jié)遍歷數(shù)據(jù)
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    byte b = buffer.get();

                    if (b == 0) { // 客戶端消息末尾的\0
                        System.out.println();

                        // 響應(yīng)客戶端
                        buffer.clear();
                        buffer.put("Hello, Client!\0".getBytes());
                        buffer.flip();
                        while (buffer.hasRemaining()) {
                            ((SocketChannel) key.channel()).write(buffer);
                        }
                    } else {
                        System.out.print((char) b);
                    }
                }
            }

            // 已經(jīng)處理的事件一定要手動(dòng)移除
            keyIter.remove();
        }
    }
}
}

Client

這個(gè)客戶端純粹測(cè)試用，為了看起來不那么費(fèi)勁，就用傳統(tǒng)的寫法了，代碼很簡(jiǎn)短。

要嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)測(cè)試的話，應(yīng)該并發(fā)運(yùn)行大量Client，統(tǒng)計(jì)服務(wù)端的響應(yīng)時(shí)間，而且連接建立后不要立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣才能發(fā)揮出服務(wù)端非阻塞I/O的優(yōu)勢(shì)。

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();

    // 先向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)
    os.write("Hello, Server!\0".getBytes());

    // 讀取服務(wù)端發(fā)來的數(shù)據(jù)
    int b;
    while ((b = is.read()) != 0) {
        System.out.print((char) b);
    }
    System.out.println();

    socket.close();
}
}

NIO vs IO

學(xué)習(xí)了NIO之后我們都會(huì)有這樣一個(gè)疑問：到底什么時(shí)候該用NIO，什么時(shí)候該用傳統(tǒng)的I/O呢？

其實(shí)了解他們的特性后，答案還是比較明確的，NIO擅長(zhǎng)1個(gè)線程管理多條連接，節(jié)約系統(tǒng)資源，但是如果每條連接要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大的話，因?yàn)槭峭絀/O，會(huì)導(dǎo)致整體的響應(yīng)速度很慢；而傳統(tǒng)I/O為每一條連接創(chuàng)建一個(gè)線程，能充分利用處理器并行處理的能力，但是如果連接數(shù)量太多，內(nèi)存資源會(huì)很緊張。

總結(jié)就是：連接數(shù)多數(shù)據(jù)量小用NIO，連接數(shù)少用I/O（寫起來也簡(jiǎn)單- -）。

Next

經(jīng)過NIO核心組件的學(xué)習(xí)，了解了非阻塞服務(wù)端實(shí)現(xiàn)的基本方法。然而，細(xì)心的你們肯定也發(fā)現(xiàn)了，上面那個(gè)完整的例子，實(shí)際上就隱藏了很多問題。比如，例子中只是簡(jiǎn)單的將讀取到的每個(gè)字節(jié)輸出，實(shí)際環(huán)境中肯定是要讀取到完整的消息后才能進(jìn)行下一步處理，由于NIO的非阻塞特性，一次可能只讀取到消息的一部分，這已經(jīng)很糟糕了，如果同一條連接會(huì)連續(xù)發(fā)來多條消息，那不僅要對(duì)消息進(jìn)行拼接，還需要切割，同理，例子中給客戶端響應(yīng)的時(shí)候，用了個(gè)while()循環(huán)，保證數(shù)據(jù)全部write完成再做其它工作，實(shí)際應(yīng)用中為了性能，肯定不會(huì)這么寫。另外，為了充分利用現(xiàn)代處理器多核心并行處理的能力，應(yīng)該用一個(gè)線程組來管理這些連接的事件。

要解決這些問題，需要一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)而繁瑣的設(shè)計(jì)，不過幸運(yùn)的是，我們有開源的框架可用，那就是優(yōu)雅而強(qiáng)大的Netty，Netty基于Java NIO，提供異步調(diào)用接口，開發(fā)高性能服務(wù)器的一個(gè)很好的選擇，之前在項(xiàng)目中使用過，但沒有深入學(xué)習(xí)，打算下一步好好學(xué)學(xué)它，到時(shí)候再寫一篇筆記。

Java NIO設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為程序員提供API以享受現(xiàn)代操作系統(tǒng)最新的I/O機(jī)制，所以覆蓋面較廣，除了文中所涉及的組件與特性，還有很多其它的，比如 Pipe（管道）、Path（路徑）、Files（文件） 等，有的是用于提升I/O性能的新組件，有的是簡(jiǎn)化I/O操作的工具，具體用法可以參看最后 References 里的鏈接。

感謝各位的閱讀！看完上述內(nèi)容，你們對(duì)Java NIO核心組件有哪些大概了解了嗎？希望文章內(nèi)容對(duì)大家有所幫助。如果想了解更多相關(guān)文章內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。