java NIO浅析

NIO的历史和工作方式概述

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。

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：

IO	NIO
面向流	面向缓冲
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器

 

 

 

 

 

1、面向流与面向缓冲

     Java IO和NIO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。 Java NIO使用了数据缓冲区。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

2、阻塞与非阻塞IO

     Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，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，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

3、选择器（Selectors）

     Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

 

NIO优点

• 通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
• Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
• Selector 多路复用器 单线程模型， 线程的资源开销相对比较小

 

NIO核心组件

以下具体实现参见jdk java.nio.channels包文档

Channel 通道

NIO的Channel抽象了一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，来实现非阻塞式的通道。

Channel是一个双向通道，与传统IO操作只允许单向的读写不同的是，NIO的Channel允许在一个通道上进行读和写的操作。

• FileChannel：从文件中读写数据。
• DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据。
• SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据。
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

 

 

Buffer 缓冲区

Bufer顾名思义，它是一个缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。

 

Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该模块内存。为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和limit。

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。见下图：

• capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据。
• position：当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0，当写入一个字节数据到Buffer中后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity-1。当读取数据时，也是从某个特定位置读，讲Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，position向前移动到下一个可读的位置。
• limit：在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position

Buffer主要方法如下

 

 

分散（Scatter）/聚集（gather）

 Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer

 

 

 

 

 

 

 

 buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。

Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作

 

 

 

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel

 

 

 buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。 

 

Selector选择器

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

 

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

 

网络通信中常用4种事件定义如下：

• SelectionKey.OP_CONNECT
• SelectionKey.OP_ACCEPT
• SelectionKey.OP_READ
• SelectionKey.OP_WRITE

 （如果对多个事件感兴趣，可以用“|”操作符连接）

 

当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：
interest集合 ---- 监听的事件集合
ready集合 ---- 通道已经准备就绪的操作的集合，可用int readySet = selectionKey.readyOps(); 访问
Channel ---- Channel channel = selectionKey.channel();
Selector ---- Selector selector = selectionKey.selector();
附加的对象（可选）----可以将一个对象附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道

以下四个方法来检测channel中什么事件或操作已经就绪：

 

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道:

• int select() 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
• int select(long timeout) 和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒
• int selectNow() 不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。

调用了select()方法后，得到的返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。

完整示例：