java基础-Java NIO使用及原理分析

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最近由于工作关系要做一些Java方面的开发，其中最重要的一块就是Java NIO（New I/O），尽管很早以前了解过一些，但并没有认真去看过它的实现原理，也没有机会在工作中使用，这次也好重新研究一下，顺便写点东西，就当是自己学习 Java NIO的笔记了。本文为NIO使用及原理分析的第一篇，将会介绍NIO中几个重要的概念。

在Java1.4之前的I/O系统中，提供的都是面向流的I/O系统，系统一次一个字节地处理数据，一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据，面向流的I/O速度非常慢，而在Java 1.4中推出了NIO，这是一个面向块的I/O系统，系统以块的方式处理处理，每一个操作在一步中产生或者消费一个数据库，按块处理要比按字节处理数据快的多。

在NIO中有几个核心对象需要掌握：缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）。

缓冲区Buffer

缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。
在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：



下面是一个简单的使用IntBuffer的例子：

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import java.nio.IntBuffer;

public class TestIntBuffer {

public static void main(String[] args) {

// 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量

// 新缓冲区的当前位置将为零，其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组，其数组偏移量将为零。

IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);

for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {

int j = 2 * (i + 1);

// 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增

buffer.put(j);

}

// 重设此缓冲区，将限制设置为当前位置，然后将当前位置设置为0

buffer.flip();

// 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素

while (buffer.hasRemaining()) {

// 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增

int j = buffer.get();

System.out.print(j + " ");

}

}

}

运行后可以看到：



在后面我们还会继续分析Buffer对象，以及它的几个重要的属性。

通道Channel

通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：



使用NIO读取数据

在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：

1. 从FileInputStream获取Channel

2. 创建Buffer

3. 将数据从Channel读取到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO从文件中读取数据的例子：

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import java.io.*;

import java.nio.*;

import java.nio.channels.*;

public class Program {

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

FileInputStream fin = new FileInputStream("c:\\test.txt");

// 获取通道

FileChannel fc = fin.getChannel();

// 创建缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

// 读取数据到缓冲区

fc.read(buffer);

buffer.flip();

while (buffer.remaining()>0) {

byte b = buffer.get();

System.out.print(((char)b));

}

fin.close();

}

}

使用NIO写入数据

使用NIO写入数据与读取数据的过程类似，同样数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为下面三个步骤：

1. 从FileInputStream获取Channel

2. 创建Buffer

3. 将数据从Channel写入到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO向文件中写入数据的例子：

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import java.io.*;

import java.nio.*;

import java.nio.channels.*;

public class Program {

static private final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,

98, 121, 116, 101, 115, 46 };

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

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "c:\\test.txt" );

FileChannel fc = fout.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {

buffer.put( message[i] );

}

buffer.flip();

fc.write( buffer );

fout.close();

}

}

本文介绍了Java NIO中三个核心概念中的两个，并且看了两个简单的示例，分别是使用NIO进行数据的读取和写入，Java NIO中最重要的一块Nonblocking I/O将在第三篇中进行分析，下篇将会介绍Buffer内部实现。

在第一篇中，我们介绍了NIO中的两个核心对象：缓冲区和通道，在谈到缓冲区时，我们说缓冲区对象本质上是一个数组，但它其实是一个特殊的数组，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况，如果我们使用get()方法从缓冲区获取数据或者使用put()方法把数据写入缓冲区，都会引起缓冲区状态的变化。本文为NIO使用及原理分析的第二篇，将会分析NIO中的Buffer对象。

在缓冲区中，最重要的属性有下面三个，它们一起合作完成对缓冲区内部状态的变化跟踪：

position：指定了下一个将要被写入或者读取的元素索引，它的值由get()/put()方法自动更新，在新创建一个Buffer对象时，position被初始化为0。

limit：指定还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。

capacity：指定了可以存储在缓冲区中的最大数据容量，实际上，它指定了底层数组的大小，或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。

以上四个属性值之间有一些相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity。如果我们创建一个新的容量大小为10的ByteBuffer对象，在初始化的时候，position设置为0，limit和 capacity被设置为10，在以后使用ByteBuffer对象过程中，capacity的值不会再发生变化，而其它两个个将会随着使用而变化。四个属性值分别如图所示：



现在我们可以从通道中读取一些数据到缓冲区中，注意从通道读取数据，相当于往缓冲区中写入数据。如果读取4个自己的数据，则此时position的值为4，即下一个将要被写入的字节索引为4，而limit仍然是10，如下图所示：



下一步把读取的数据写入到输出通道中，相当于从缓冲区中读取数据，在此之前，必须调用flip()方法，该方法将会完成两件事情：

1. 把limit设置为当前的position值

2. 把position设置为0

由于position被设置为0，所以可以保证在下一步输出时读取到的是缓冲区中的第一个字节，而limit被设置为当前的position，可以保证读取的数据正好是之前写入到缓冲区中的数据，如下图所示：



现在调用get()方法从缓冲区中读取数据写入到输出通道，这会导致position的增加而limit保持不变，但position不会超过limit的值，所以在读取我们之前写入到缓冲区中的4个自己之后，position和limit的值都为4，如下图所示：



在从缓冲区中读取数据完毕后，limit的值仍然保持在我们调用flip()方法时的值，调用clear()方法能够把所有的状态变化设置为初始化时的值，如下图所示：



最后我们用一段代码来验证这个过程，如下所示：

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import java.io.*;

import java.nio.*;

import java.nio.channels.*;

public class Program {

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

FileInputStream fin = new FileInputStream("d:\\test.txt");

FileChannel fc = fin.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);

output("初始化", buffer);

fc.read(buffer);

output("调用read()", buffer);

buffer.flip();

output("调用flip()", buffer);

while (buffer.remaining() > 0) {

byte b = buffer.get();

// System.out.print(((char)b));

}

output("调用get()", buffer);

buffer.clear();

output("调用clear()", buffer);

fin.close();

}

public static void output(String step, Buffer buffer) {

System.out.println(step + " : ");

System.out.print("capacity: " + buffer.capacity() + ", ");

System.out.print("position: " + buffer.position() + ", ");

System.out.println("limit: " + buffer.limit());

System.out.println();

}

}

完成的输出结果为：



这与我们上面演示的过程一致。在后面的文章中，我们继续介绍NIO中关于缓冲区一些更高级的使用。

在上一篇文章中介绍了缓冲区内部对于状态变化的跟踪机制，而对于NIO中缓冲区来说，还有很多的内容值的学习，如缓冲区的分片与数据共享，只读缓冲区等。在本文中我们来看一下缓冲区一些更细节的内容。

缓冲区的分配

在前面的几个例子中，我们已经看过了，在创建一个缓冲区对象时，会调用静态方法allocate()来指定缓冲区的容量，其实调用 allocate()相当于创建了一个指定大小的数组，并把它包装为缓冲区对象。或者我们也可以直接将一个现有的数组，包装为缓冲区对象，如下示例代码所示：

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public class BufferWrap {

public void myMethod()

{

// 分配指定大小的缓冲区

ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(10);

// 包装一个现有的数组

byte array[] = new byte[10];

ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.wrap( array );

}

}

缓冲区分片

在NIO中，除了可以分配或者包装一个缓冲区对象外，还可以根据现有的缓冲区对象来创建一个子缓冲区，即在现有缓冲区上切出一片来作为一个新的缓冲区，但现有的缓冲区与创建的子缓冲区在底层数组层面上是数据共享的，也就是说，子缓冲区相当于是现有缓冲区的一个视图窗口。调用slice()方法可以创建一个子缓冲区，让我们通过例子来看一下：

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import java.nio.*;

public class Program {

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

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

// 缓冲区中的数据0-9

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {

buffer.put( (byte)i );

}

// 创建子缓冲区

buffer.position( 3 );

buffer.limit( 7 );

ByteBuffer slice = buffer.slice();

// 改变子缓冲区的内容

for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {

byte b = slice.get( i );

b *= 10;

slice.put( i, b );

}

buffer.position( 0 );

buffer.limit( buffer.capacity() );

while (buffer.remaining()>0) {

System.out.println( buffer.get() );

}

}

}

在该示例中，分配了一个容量大小为10的缓冲区，并在其中放入了数据0-9，而在该缓冲区基础之上又创建了一个子缓冲区，并改变子缓冲区中的内容，从最后输出的结果来看，只有子缓冲区“可见的”那部分数据发生了变化，并且说明子缓冲区与原缓冲区是数据共享的，输出结果如下所示：



只读缓冲区
只读缓冲区非常简单，可以读取它们，但是不能向它们写入数据。可以通过调用缓冲区的asReadOnlyBuffer()方法，将任何常规缓冲区转 换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区，并与原缓冲区共享数据，只不过它是只读的。如果原缓冲区的内容发生了变化，只读缓冲区的内容也随之发生变化：

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print?

import java.nio.*;

public class Program {

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

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

// 缓冲区中的数据0-9

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {

buffer.put( (byte)i );

}

// 创建只读缓冲区

ByteBuffer readonly = buffer.asReadOnlyBuffer();

// 改变原缓冲区的内容

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {

byte b = buffer.get( i );

b *= 10;

buffer.put( i, b );

}

readonly.position(0);

readonly.limit(buffer.capacity());

// 只读缓冲区的内容也随之改变

while (readonly.remaining()>0) {

System.out.println( readonly.get());

}

}

}

如果尝试修改只读缓冲区的内容，则会报ReadOnlyBufferException异常。只读缓冲区对于保护数据很有用。在将缓冲区传递给某个 对象的方法时，无法知道这个方法是否会修改缓冲区中的数据。创建一个只读的缓冲区可以保证该缓冲区不会被修改。只可以把常规缓冲区转换为只读缓冲区，而不能将只读的缓冲区转换为可写的缓冲区。

直接缓冲区
直接缓冲区是为加快I/O速度，使用一种特殊方式为其分配内存的缓冲区，JDK文档中的描述为：给定一个直接字节缓冲区，Java虚拟机将尽最大努 力直接对它执行本机I/O操作。也就是说，它会在每一次调用底层操作系统的本机I/O操作之前(或之后)，尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中 或者从一个中间缓冲区中拷贝数据。要分配直接缓冲区，需要调用allocateDirect()方法，而不是allocate()方法，使用方式与普通缓冲区并无区别，如下面的拷贝文件示例：

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import java.io.*;

import java.nio.*;

import java.nio.channels.*;

public class Program {

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

String infile = "c:\\test.txt";

FileInputStream fin = new FileInputStream( infile );

FileChannel fcin = fin.getChannel();

String outfile = String.format("c:\\testcopy.txt");

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( outfile );

FileChannel fcout = fout.getChannel();

// 使用allocateDirect，而不是allocate

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect( 1024 );

while (true) {

buffer.clear();

int r = fcin.read( buffer );

if (r==-1) {

break;

}

buffer.flip();

fcout.write( buffer );

}

}

}

内存映射文件I/O
内存映射文件I/O是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的I/O快的多。内存映射文件I/O是通过使文件中的数据出现为 内存数组的内容来完成的，这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中，但是事实上并不是这样。一般来说，只有文件中实际读取或者写入的部分才会映射到内存中。如下面的示例代码：

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print?

import java.io.*;

import java.nio.*;

import java.nio.channels.*;

public class Program {

static private final int start = 0;<span style="font-family:FangSong_GB2312;font-size:13px;">

static private final int size = 1024;

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

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile( "c:\\test.txt", "rw" );

FileChannel fc = raf.getChannel();

MappedByteBuffer mbb = fc.map( FileChannel.MapMode.READ_WRITE,

start, size );

mbb.put( 0, (byte)97 );

mbb.put( 1023, (byte)122 );

raf.close();

}

}</span>

关于缓冲区的细节内容，我们已经用了两篇文章来介绍。在下一篇中将会介绍NIO中更有趣的部分Nonblocking I/O。

在上一篇文章中介绍了关于缓冲区的一些细节内容，现在终于可以进入NIO中最有意思的部分非阻塞I/O。通常在进行同步I/O操作时，如果读取数据，代码会阻塞直至有 可供读取的数据。同样，写入调用将会阻塞直至数据能够写入。传统的Server/Client模式会基于TPR（Thread per Request）,服务器会为每个客户端请求建立一个线程，由该线程单独负责处理一个客户请求。这种模式带来的一个问题就是线程数量的剧增，大量的线程会增大服务器的开销。大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这由带来了新的问题，如果线程池中有200个线程，而有200个用户都在进行大文件下载，会导致第201个用户的请求无法及时处理，即便第201个用户只想请求一个几KB大小的页面。传统的
Server/Client模式如下图所示：



NIO中非阻塞I/O采用了基于Reactor模式的工作方式，I/O调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特定I/O事件，如可读数据到达，新的套接字连接等等，在发生特定事件时，系统再通知我们。NIO中实现非阻塞I/O的核心对象就是Selector，Selector就是注册各种I/O事件地 方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件，如下图所示：



从图中可以看出，当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从Selector中获得相应的SelectionKey，同时从 SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。关于 SelectableChannel的可以参考Java
NIO使用及原理分析（一）

使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序，大体上可以分为下面三个步骤：

1. 向Selector对象注册感兴趣的事件

2. 从Selector中获取感兴趣的事件

3. 根据不同的事件进行相应的处理

接下来我们用一个简单的示例来说明整个过程。首先是向Selector对象注册感兴趣的事件：

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/*

* 注册事件

* */

protected Selector getSelector() throws IOException {

// 创建Selector对象

Selector sel = Selector.open();

// 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式

ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

server.configureBlocking(false);

// 绑定通道到指定端口

ServerSocket socket = server.socket();

InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);

socket.bind(address);

// 向Selector中注册感兴趣的事件

server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);

return sel;

}

创建了ServerSocketChannel对象，并调用configureBlocking()方法，配置为非阻塞模式，接下来的三行代码把该通道绑定到指定端口，最后向Selector中注册事件，此处指定的是参数是OP_ACCEPT，即指定我们想要监听accept事件，也就是新的连接发 生时所产生的事件，对于ServerSocketChannel通道来说，我们唯一可以指定的参数就是OP_ACCEPT。

从Selector中获取感兴趣的事件，即开始监听，进入内部循环：

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print?

/*

* 开始监听

* */

public void listen() {

System.out.println("listen on " + port);

try {

while(true) {

// 该调用会阻塞，直到至少有一个事件发生

selector.select();

Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();

while (iter.hasNext()) {

SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();

iter.remove();

process(key);

}

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

在非阻塞I/O中，内部循环模式基本都是遵循这种方式。首先调用select()方法，该方法会阻塞，直到至少有一个事件发生，然后再使用selectedKeys()方法获取发生事件的SelectionKey，再使用迭代器进行循环。
最后一步就是根据不同的事件，编写相应的处理代码：

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print?

/*

* 根据不同的事件做处理

* */

protected void process(SelectionKey key) throws IOException{

// 接收请求

if (key.isAcceptable()) {

ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();

SocketChannel channel = server.accept();

channel.configureBlocking(false);

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

}

// 读信息

else if (key.isReadable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

int count = channel.read(buffer);

if (count > 0) {

buffer.flip();

CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);

name = charBuffer.toString();

SelectionKey sKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

sKey.attach(name);

} else {

channel.close();

}

buffer.clear();

}

// 写事件

else if (key.isWritable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

String name = (String) key.attachment();

ByteBuffer block = encoder.encode(CharBuffer.wrap("Hello " + name));

if(block != null)

{

channel.write(block);

}

else

{

channel.close();

}

}

}

此处分别判断是接受请求、读数据还是写事件，分别作不同的处理。

到这里关于Java NIO使用及原理分析的四篇文章就全部完成了。Java NIO提供了通道、缓冲区、选择器这样一组抽象概念，极大的简化了我们编写高性能并发型服务器程序，后面有机会我会继续谈谈使用Java NIO的一些想法。
(完)