java NIO 深入学习

java NIO概述：

1、在 JDK 1. 4 中新加入了 NIO( New Input/ Output) 类, 引入了一种基于通道和缓冲区的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作，避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

2、 NIO 是一种同步非阻塞的 IO 模型。同步是指线程不断轮询 IO 事件是否就绪，非阻塞是指线程在等待 IO 的时候，可以同时做其他任务。同步的核心就是 Selector，Selector 代替了线程本身轮询 IO 事件，避免了阻塞同时减少了不必要的线程消耗；非阻塞的核心就是通道和缓冲区，当 IO 事件就绪时，可以通过写道缓冲区，保证 IO 的成功，而无需线程阻塞式地等待

NIO和IO的区别：

1、 NIO是以块的方式处理数据，但是IO是以最基础的字节流的形式去读写数据，所以在效率上NIO比IO的效率高很多。

2、 NIO不是和IO一样使用inputStream/outputStream的形式进行操作数据，但是又是基于这种流形式。同时又采用了通道和缓冲区的形式处理数据

3、还有一点。NIO是双向的，而IO是单向的

4、 NIO的缓冲区（字节数组）还可以进行分片处理。可以建立直接缓冲区、非直接缓冲区、直接缓冲区是为了提高IO的速度。而以一种特殊的方式进行分配内存缓冲区

以上几点可以直接概括为：IO是面向流的，NIO面向缓冲区的

NIO的三个核心：

1、缓冲区（buffer）

在java NIO中负责数据的存取，缓冲区（buffer）本质就是一个数组，用于存储不同的数据类型，根据类型的不同（boolean）除外，提供了相依的类型缓冲区，分别为：

* ByteBuffer

* CharBuffer

* ShortBuffer

* IntBuffer

* LongBuffer

* FloatBuffer

* DoubleBuffer

其中（ByteBuffer）最为常用。

上述的缓冲区管理的方式几乎一致，通过allocate();

缓冲区存取数据的两个核心方法：

put():存入数据到缓冲区

get():获取缓冲区的数据

缓冲区中的四个核心属性：

capacity：容量，表示缓冲区最大的存储数量，一旦声明不能改变

limit：界限，表示缓冲区可以操作数据的大小，limit后面的数据不能操作

position：位置，表示缓冲区正在操作数据的位置。

mark：标记，用于记录当前position的位置，可以使用rest()恢复到mark的位置。

其中：capatity >= limit >= position >= mark

2、通道（channel）：

概念：用于源节点与目标节点的连接。在 java NIO中负责缓存区中数据的传输，channel本身不存储数据，因此需要配合缓冲区进去传输。通道（channel）可以

简单的理解为火车的轨道，火车相当是缓冲区。

通道的主要类：

* java.nio.channels.Channel 接口：

* |--FileChannel

* |--Sockethannel

* |--ServerSocketChannel

* |--DatagramChannel

获取管道：

* 1、java针对支持通道的类提供了getChannel()方法

* 本地IO：

* FileInputStream/FileOutputStream

* RandomAccessFile

* 网络IO：

* Socket

* ServerSocket

* DatagramSocket

* 2、在 JDK 1.7中的NIO.2针对各个通道提供了静态方法open()

* 3、在 JDK 1.7中的NIO.2的Files 工具类的newByteChannel()

通道之间的数据传输

* transferFrom()

* transfetTo()

分散（Scatter）与聚集（Gather）

* 分散读取（Scattering Reads）：将通道中的数据分散到多个缓冲区

* 聚集写入（Gathering Writes）：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中

3、选择器（selector）

1、通道（channel）和缓冲区（Buffer）的机制，使得线程无阻塞的等待IO事件的就绪，但是要有人来监管它，这个时候就需要选择器（selector）完成，这就是所谓的同步。

2、选择器（selector）允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便

3、要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪，这就是所说的轮询。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件。

Selector中注册的感兴趣事件有：

OP_ACCEPT

OP_CONNECT

OP_READ

OP_WRITE

优化：一种优化方式是：将Selector进一步分解为Reactor，将不同的感兴趣事件分开，每一个Reactor只负责一种感兴趣的事件。这样做的好处是：1、分离阻塞级别，减少了轮询的时间；2、线程无需遍历set以找到自己感兴趣的事件，因为得到的set中仅包含自己感兴趣的事件

NIO缓冲区使用实例：

@Test
    public void test() throws Exception
    {
        String str = "abcd";
        //创建缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        //获取缓冲区的容量 capatity
        System.out.println("缓冲区的容量为："+buf.capacity());
        //获取缓冲区的界限 limit
        System.out.println("缓冲区的界限为："+buf.limit());
        //获取正则操作数据的位置 position
        System.out.println("缓冲区操作数据的位置："+buf.position());
        System.out.println("----------------------------------------------");
        
        //向缓冲区添加数据
        buf.put(str.getBytes());
        //添加数据后注意观察 postion 的变化
        //获取缓冲区的容量 capatity
        System.out.println("缓冲区的容量为："+buf.capacity());
        //获取缓冲区的界限 limit
        System.out.println("缓冲区的界限为："+buf.limit());
        //获取正则操作数据的位置 position
        System.out.println("缓冲区操作数据的位置："+buf.position());  
        
        System.out.println("-----------------------------------------------");
        
        //切换至读取模式     如果想要获取缓冲区中的数据需要切换至读模式
        buf.flip();
        //注意观察切换至读模式后 其 缓冲区的操作界限
        System.out.println("切换至读取模式缓冲区的界限为："+buf.limit());
        byte [] b = new byte[buf.limit()];
        //使用get获取缓冲区中的数据
        buf.get(b,0,2);
        System.out.println(new String(b,0,2));
        //获取正则操作数据的位置 position
          System.out.println("缓冲区操作数据的位置："+buf.position());  
        //使用mark标记位置
        buf.mark();
        buf.get(b,2,2);
        System.out.println(new String(b,2,2));
        System.out.println("缓冲区操作数据的位置："+buf.position()); 
        
        //使用rest重置位置
        buf.reset();
        System.out.println("使用rest重置后缓冲区操作数据的位置："+buf.position()); 
    }

NIO管道（channel）实例（利用通道完成文件的复制（使用非直接缓冲区）

@Test
    public void test01()   //1261   1244
    {
        long start = System.currentTimeMillis();
        FileInputStream ins = null;
        FileOutputStream out = null;
        
        //1、获取通道
        FileChannel inChannel = null;
        FileChannel outChannel= null;
        try
        {
            ins = new FileInputStream("C:\\temp\\test\\1.zip");
            out = new FileOutputStream("C:\\temp\\test\\2.zip");
            inChannel = ins.getChannel();
            outChannel = out.getChannel();
            
            //2、分配指定大小的缓冲区
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            //3、将通道中的数据存入缓冲区
            while(inChannel.read(buf) != -1)
            {
                //切换读取数据模式
                buf.flip();
                //将缓冲区的数据写入通道
                outChannel.write(buf);
                //清空缓冲区
                buf.clear();
            }
        }
        catch(Exception  e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally
        {
            if(outChannel != null)
            {
                try {
                    outChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                }
            }
            
            if(inChannel != null)
            {
                try {
                    inChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            
            if(ins != null)
            {
                try {
                    ins.close();
                } catch (IOException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            
            if(out != null)
            {
                try {
                    out.close();
                } catch (IOException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时："+(end - start));
    }

NIO管道（channel）实例（利用通道完成文件的复制（使用直接缓冲区）

@Test
    public void test02() throws Exception  
    {
        long start = System.currentTimeMillis();
        
        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\temp\\test\\1.zip"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\temp\\test\\2.zip"), StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.CREATE);
        
        //内存映射文件
        MappedByteBuffer inMapperBuf = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
        MappedByteBuffer outMapperBuf = outChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, inChannel.size());
        
        //直接对缓冲区进行数据操作
        byte [] dst = new byte[inMapperBuf.limit()];
        //获取直接缓冲区的数据
        inMapperBuf.get(dst);
        //将获取到的数据写入内存映射文件中
        outMapperBuf.put(dst);
        
        outChannel.close();
        inChannel.close();
        
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时："+(end - start));
    }

总结：使用直接缓冲区完成文件复制的时间比非直接缓冲区快。

NIO通道（channel）实例（使用分散读取，聚集写入）

@Test
    public void test04() throws IOException
    {
        RandomAccessFile inRaf = new RandomAccessFile("C:\\temp\\test\\1.zip", "rw");

        //获取通道   51845754   155537264
        FileChannel channel = inRaf.getChannel();
        int l = (int) (channel.size() % 3);
        int len = (int) Math.floor((channel.size() * 1.0) / 3.0);
        ByteBuffer [] bytes = new ByteBuffer[3];
        for(int i = 0; i < bytes.length; i++)
        {
            if(i == bytes.length+1)
                len = len + l;
            bytes[i] = ByteBuffer.allocate(len);        
        }
        
        //分散读取
        channel.read(bytes);
        
        //切换数据读取模式
        for(ByteBuffer byteBuffer:bytes)
        {
            byteBuffer.flip();
        }
        
        //聚集写入
        RandomAccessFile outRaf = new RandomAccessFile("C:\\temp\\test\\2.zip", "rw");
        FileChannel outChannel = outRaf.getChannel();
        outChannel.write(bytes);
        
        outRaf.close();
        inRaf.close();
        
    }

NIO通道（channel）实例（SocketChannel和ServerSocketChannel）的使用：

//客户端
    @Test
    public void client() throws Exception
    {
        //1、获取通道
        SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9898));
        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\temp\\test\\1.zip"), StandardOpenOption.READ);
        //2、分配指定大小的缓冲区
        ByteBuffer dst = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        //读取本地文件，并发送服务端
        while(inChannel.read(dst) > -1)
        {
            dst.flip();   //切换读取模式
            sChannel.write(dst);
            dst.clear();
        }
        
        //关闭通道
        inChannel.close();
        sChannel.close();
    }


//服务端
    @Test
    public void server() throws Exception
    {
        //1、获取通道
        ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\temp\\test\\2.zip"),StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
        
        //绑定连接
        ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
        
        //获取客户端连接通道
        SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
        
        //分配指定的缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        //接收客户端的数据，并保存到本地
        while(sChannel.read(buf) > -1)
        {
            buf.flip();
            outChannel.write(buf);
            buf.clear();
        }
        
        //关闭通道
        sChannel.close();
        ssChannel.close();
        outChannel.close();
    }

NIO选择器（selector）实例

//客户端
    @Test
    public void client() throws Exception
    {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        //获取通道
        SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9898));
        
        //设置非阻塞模式
        sChannel.configureBlocking(false);
        
        //设置缓冲区大小
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        while(scan.hasNext())
        {
            String str = scan.next();
            //System.out.println(str);
            buf.put((sdf.format(new Date())+"\n"+str).getBytes());
            //buf.put(str.getBytes());
            buf.flip();
            sChannel.write(buf);
            buf.clear();
        }
        sChannel.close();
        //scan.close();
    }

//服务端
    @Test
    public void server() throws Exception
    {
        //1、获取通道
        ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();        
        //2、设置非阻塞模式
        ssChannel.configureBlocking(false);        
        //3、绑定连接
        ssChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9898));        
        //4、获取选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //5、将通道注册到选择器上，并指定“监听接收事件”
        ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //6、轮询获取选择器上已经准备就绪的事件
        while(selector.select() > 0)
        {
            //7、获取当前选择器中所有已注册的“选择键” （已就绪的监听事件）
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while(it.hasNext())
            {
                //8、获取已就绪的事件
                SelectionKey sk = it.next();
                //9、判断具体是什么事件准备就绪了
                if(sk.isAcceptable())
                {
                    //10、若“接收就绪”，获取客户端连接
                    SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
                    //11、设置非阻塞模式
                    sChannel.configureBlocking(false);
                    //12、将通道注册到选择器上
                    sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                else if(sk.isReadable())
                {
                    //13、获取当前选择器上“读就绪”状态的通道
                    SocketChannel sChannel = (SocketChannel)sk.channel();
                    //14、读取数据
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len = 0;
                    while((len = sChannel.read(buf)) > 0)
                    {
                        buf.flip();
                        System.out.println(new String(buf.array(),0,len));
                        buf.clear();
                    }
                }
                //15、取消选择键SelectorKey
                it.remove();
            }    
        }
    }

NIO实例 DatagrampChannel类的使用：

在java NIO 中DatagramChannel 是一个只能收发UDP包的通道。因为UDP是一个无连接的网络协议，所以不能像其他通道一样读取和写入它发送和接收的是数据包

代码示例：

//发送数据包
    @Test
    public void send() throws Exception
    {
        DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        //设置无阻塞模式
        dc.configureBlocking(false);
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        while(scan.hasNext())
        {
            String str = scan.next();
            buf.put((sdf.format(new Date())+"\n"+str).getBytes());
            buf.flip();
            dc.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1",9898));
            buf.clear();
        }
        dc.close();
    }
    
    //接收数据包
    @Test
    public void receive() throws Exception
    {
        DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
        //设置非阻塞模式
        dc.configureBlocking(false);
        dc.bind(new InetSocketAddress(9898));
        
        Selector selector = Selector.open();
        dc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        while(selector.select() > 0)
        {
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while(it.hasNext())
            {
                SelectionKey sk = it.next();
                if(sk.isReadable())
                {
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    //接收数据包
                    dc.receive(buf);
                    //切换至读模式
                    buf.flip();
                    System.out.println(new String(buf.array(),0,buf.limit()));
                    buf.clear();
                }
            }
        }
    }

posted @ 2019-08-29 17:53 吴佼奋阅读(445) 评论(0) 编辑收藏举报

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