快速了解Java中NIO核心組件

背景知識

同步、異步、阻塞、非阻塞

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

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

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

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

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

對于I/O操作，根據(jù)Oracle官網(wǎng)的文檔，同步異步的劃分標準是“調(diào)用者是否需要等待I/O操作完成”，這個“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)，而是指真正進行I/O操作時，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，檢測到無數(shù)據(jù)可讀時，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三種機制，我們下文所說的是前兩種，JDK1.7才開始引入異步I/O，那稱之為NIO.2。

傳統(tǒng)IO

我們知道，一個新技術(shù)的出現(xiàn)總是伴隨著改進和提升，JavaNIO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。比如我們?yōu)榱俗x取一個TCP連接的數(shù)據(jù)，調(diào)用InputStream的read()方法，這會使當前線程被掛起，直到有數(shù)據(jù)到達才被喚醒，那該線程在數(shù)據(jù)到達這段時間內(nèi)，占用著內(nèi)存資源（存儲線程棧）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)，我們不得不啟動另外的線程。在并發(fā)連接數(shù)量不多的時候，這可能沒什么問題，然而當連接數(shù)量達到一定規(guī)模，內(nèi)存資源會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。

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了新的I/O機制，可以避免這種資源浪費?；诖?，誕生了JavaNIO，NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。緊接著我們發(fā)現(xiàn)，簡單的使用非阻塞I/O并不能解決問題，因為在非阻塞模式下，read()方法在沒有讀取到數(shù)據(jù)時就會立即返回，不知道數(shù)據(jù)何時到達的我們，只能不停的調(diào)用read()方法進行重試，這顯然太浪費CPU資源了，從下文可以知道，Selector組件正是為解決此問題而生。

JavaNIO核心組件

1.Channel

概念

JavaNIO中的所有I/O操作都基于Channel對象，就像流操作都要基于Stream對象一樣，因此很有必要先了解Channel是什么。以下內(nèi)容摘自JDK1.8的文檔

Achannelrepresentsanopenconnectiontoanentitysuchasahardwaredevice,afile,anetworksocket,oraprogramcomponentthatiscapableofperformingoneormoredistinctI/Ooperations,forexamplereadingorwriting.

從上述內(nèi)容可知，一個Channel（通道）代表和某一實體的連接，這個實體可以是文件、網(wǎng)絡(luò)套接字等。也就是說，通道是JavaNIO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。

當然，也有區(qū)別，主要體現(xiàn)在如下兩點：

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

通道有非阻塞I/O模式

實現(xiàn)

JavaNIO中最常用的通道實現(xiàn)是如下幾個，可以看出跟傳統(tǒng)的I/O操作類是一一對應(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)不是一個簡單的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)，下面細細道來。

與Java基本類型相對應(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)時的單位長度不一樣（以對應(yīng)類型的變量為單位進行讀寫）。

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

capacity（總?cè)萘浚?/p>

position（指針當前位置）

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)組的總長度，position就是我們讀/寫字符的下標變量，limit就是結(jié)束符的位置。Buffer初始時3個變量的情況如下圖

在對Buffer進行讀/寫的過程中，position會往后移動，而limit就是position移動的邊界。由此不難想象，在對Buffer進行寫入操作時，limit應(yīng)當設(shè)置為capacity的大小，而對Buffer進行讀取操作時，limit應(yīng)當設(shè)置為數(shù)據(jù)的實際結(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Buffer進行讀/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

flip():設(shè)置limit為position的值，然后position置為0。對Buffer進行讀取操作前調(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Buffer的數(shù)據(jù)寫入多個通道時會用到。

clear():回到初始狀態(tài)，即limit等于capacity，position置0。重新對Buffer進行寫入操作前調(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)末尾的下一個位置。其實就等價于重新向緩沖區(qū)中寫入了這么一段數(shù)據(jù)。

然后，看一個實例，使用FileChannel讀寫文本文件，通過這個例子驗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();

這個例子中使用了兩個Buffer，其中 byteBuffer 作為通道讀寫的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，charBuffer 用于存儲解碼后的字符。clear() 和 flip() 的用法正如上文所述，需要注意的是最后那個 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 compact() 也必不可少，這是因為常用中文字符的UTF-8編碼占3個字節(jié)，因此有很大概率出現(xiàn)在中間截斷的情況，請看下圖：

當 Decoder 讀取到緩沖區(qū)末尾的 0xe4 時，無法將其映射到一個 Unicode，decode()方法第三個參數(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() 方法會在此處停止，并且 position 會回退到 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。關(guān)于字符編碼,大家可以參閱《ANSI,Unicode,BMP,UTF等編碼概念實例講解》

BTW，例子中的CharsetDecoder也是JavaNIO的一個新特性，所以大家應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了一點哈，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線程管理多個Channel的重要組件。

3.Selector

Selector是什么

Selector（選擇器）是一個特殊的組件，用于采集各個通道的狀態(tài)（或者說事件）。我們先將通道注冊到選擇器，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（浪費內(nèi)存），如果用非阻塞I/O，需要不斷重試（耗費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，當所有通道都沒有數(shù)據(jù)到達時，也就沒有Read事件發(fā)生，我們的線程會在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Selector，并注冊一個Channel。

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

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)心多個事件，用一個“按位或運算符”分隔，比如

SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE

這種寫法一點都不陌生，支持位運算的編程語言里都這么玩，用一個整型變量可以標識多種狀態(tài)，它是怎么做到的呢，其實很簡單，舉個例子，首先預(yù)定義一些常量，它們的值（二進制）如下

可以發(fā)現(xiàn)，它們值為1的位都是錯開的，因此對它們進行按位或運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算而來。怎么判斷呢，沒錯，就是“按位與”運算。比如，現(xiàn)在有一個狀態(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SelectionKey的對象，這個對象包含了本次注冊的信息，我們也可以通過它修改注冊信息。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SelectionKey的集合來獲取到那些狀態(tài)就緒了的通道。

一個完整實例

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

這個例子使用JavaNIO實現(xiàn)了一個單線程的服務(wù)端，功能很簡單，監(jiān)聽客戶端連接，當連接建立后，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′（一個值為0的字節(jié)）來標識消息結(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);
		// 注冊到selector（監(jiān)聽其ACCEPT事件）
		listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		// 創(chuàng)建一個緩沖區(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移除
				keyIter.remove();
			}
		}
	}
}

Client

這個客戶端純粹測試用，為了看起來不那么費勁，就用傳統(tǒng)的寫法了，代碼很簡短。

要嚴謹一點測試的話，應(yīng)該并發(fā)運行大量Client，統(tǒng)計服務(wù)端的響應(yīng)時間，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。

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();
	}
}

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于快速了解Java中NIO核心組件的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)內(nèi)容，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！