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，所以總結一下。
同步：api調用返回時調用者就知道操作的結果如何了（實際讀取/寫入了多少字節）。
異步：相對于同步，api調用返回時調用者不知道操作的結果，后面才會回調通知結果。
阻塞：當無數據可讀，或者不能寫入所有數據時，掛起當前線程等待。
非阻塞：讀取時，可以讀多少數據就讀多少然后返回，寫入時，可以寫入多少數據就寫入多少然后返回。
對于i/o操作，根據oracle官網的文檔，同步異步的劃分標準是“調用者是否需要等待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據或者說寫入所有數據，而是指真正進行i/o操作時，比如數據在tcp/ip協議棧緩沖區和jvm緩沖區之間傳輸的這段時間，調用者是否要等待。
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，檢測到無數據可讀時，直接就返回了，并沒有真正執行i/o操作。
總結就是，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io
我們知道，一個新技術的出現總是伴隨著改進和提升，javanio的出現亦如此。
傳統i/o是阻塞式i/o，主要問題是系統資源的浪費。比如我們為了讀取一個tcp連接的數據，調用inputstream的read()方法，這會使當前線程被掛起，直到有數據到達才被喚醒，那該線程在數據到達這段時間內，占用著內存資源（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據，我們不得不啟動另外的線程。在并發連接數量不多的時候，這可能沒什么問題，然而當連接數量達到一定規模，內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，比如程序計數器、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。
隨著技術的發展，現代操作系統提供了新的i/o機制，可以避免這種資源浪費。基于此，誕生了javanio，nio的代表性特征就是非阻塞i/o。緊接著我們發現，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據時就會立即返回，不知道數據何時到達的我們，只能不停的調用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。以下內容摘自jdk1.8的文檔
achannelrepresentsanopenconnectiontoanentitysuchasahardwaredevice,afile,anetworksocket,oraprogramcomponentthatiscapableofperformingoneormoredistincti/ooperations,forexamplereadingorwriting.
從上述內容可知，一個channel（通道）代表和某一實體的連接，這個實體可以是文件、網絡套接字等。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底層i/o服務進行交互。
通道是一種很基本很抽象的描述，和不同的i/o服務交互，執行不同的i/o操作，實現不一樣，因此具體的有filechannel、socketchannel等。
通道使用起來跟stream比較像，可以讀取數據到buffer中，也可以把buffer中的數據寫入通道。
當然，也有區別，主要體現在如下兩點：
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
javanio中最常用的通道實現是如下幾個，可以看出跟傳統的i/o操作類是一一對應的。
filechannel：讀寫文件
datagramchannel:udp協議網絡通信
socketchannel：tcp協議網絡通信
serversocketchannel：監聽tcp連接
2.buffer
nio中所使用的緩沖區不是一個簡單的byte數組，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據，下面細細道來。
與java基本類型相對應，nio提供了多種buffer類型，如bytebuffer、charbuffer、intbuffer等，區別就是讀寫緩沖區時的單位長度不一樣（以對應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工作機制的關鍵，分別是
capacity（總容量）
position（指針當前位置）
limit（讀/寫邊界位置）
buffer的工作方式跟c語言里的字符數組非常的像，類比一下，capacity就是數組的總長度，position就是我們讀/寫字符的下標變量，limit就是結束符的位置。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應當設置為capacity的大小，而對buffer進行讀取操作時，limit應當設置為數據的實際結束位置。（注意：將buffer數據寫入通道是buffer讀取操作，從通道讀取數據到buffer是buffer寫入操作）
在對buffer進行讀/寫操作前，我們可以調用buffer類提供的一些輔助方法來正確設置position和limit的值，主要有如下幾個
flip():設置limit為position的值，然后position置為0。對buffer進行讀取操作前調用。
rewind():僅僅將position置0。一般是在重新讀取buffer數據前調用，比如要讀取同一個buffer的數據寫入多個通道時會用到。
clear():回到初始狀態，即limit等于capacity，position置0。重新對buffer進行寫入操作前調用。
compact():將未讀取完的數據（position與limit之間的數據）移動到緩沖區開頭，并將position設置為這段數據末尾的下一個位置。其實就等價于重新向緩沖區中寫入了這么一段數據。
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不能設置為非阻塞模式）。
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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);// 數據寫入bufferbytebuffer.put("你好，世界！\n".getbytes(standardcharsets.utf_8));// buffer -> channelbytebuffer.flip();while (bytebuffer.hasremaining()) { channel.write(bytebuffer);}channel.position(0);// 移動文件指針到開頭（從頭讀取）charbuffer charbuffer = charbuffer.allocate(10);charsetdecoder decoder = standardcharsets.utf_8.newdecoder();// 讀出所有數據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(); // 數據可能有剩余}channel.close(); |
這個例子中使用了兩個buffer，其中 bytebuffer 作為通道讀寫的數據緩沖區，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 解碼后的數據，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，因此有很大概率出現在中間截斷的情況，請看下圖：
當 decoder 讀取到緩沖區末尾的 0xe4 時，無法將其映射到一個 unicode，decode()方法第三個參數 false 的作用就是讓 decoder 把無法映射的字節及其后面的數據都視作附加數據，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， 緩沖區中就遺留了“中”字編碼的第一個字節，必須將其 compact 到前面，以正確的和后序數據拼接起來。關于字符編碼,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，所以大家應該發現了一點哈，nio的操作是面向緩沖區的（傳統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（或者說事件）。我們先將通道注冊到選擇器，并設置好關心的事件，然后就可以通過調用select()方法，靜靜地等待事件發生。
通道有如下4個事件可供我們監聽：
accept：有可以接受的連接
connect：連接成功
read：有數據可讀
write：可以寫入數據了
為什么要用selector
前文說了，如果用阻塞i/o，需要多線程（浪費內存），如果用非阻塞i/o，需要不斷重試（耗費cpu）。selector的出現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據到達時，也就沒有read事件發生，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設置為非阻塞模式，否則會拋異常。
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selector selector = selector.open();channel.configureblocking(false);selectionkey key = channel.register(selector, selectionkey.op_read); |
register()方法的第二個參數名叫“interest set”，也就是你所關心的事件集合。如果你關心多個事件，用一個“按位或運算符”分隔，比如
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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，它是怎么做到的呢，其實很簡單，舉個例子，首先預定義一些常量，它們的值（二進制）如下
可以發現，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，現在有一個狀態集合變量值為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。
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，我發現沒寫出多少東西，好尷尬(⊙?⊙)），看一個完整的例子吧。
這個例子使用javanio實現了一個單線程的服務端，功能很簡單，監聽客戶端連接，當連接建立后，讀取客戶端的消息，并向客戶端響應一條消息。
需要注意的是，我用字符‘\0′（一個值為0的字節）來標識消息結束。
單線程server
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public class nioserver { public static void main(string[] args) throws ioexception { // 創建一個selector selector selector = selector.open(); // 初始化tcp連接監聽通道 serversocketchannel listenchannel = serversocketchannel.open(); listenchannel.bind(new inetsocketaddress(9999)); listenchannel.configureblocking(false); // 注冊到selector（監聽其accept事件） listenchannel.register(selector, selectionkey.op_accept); // 創建一個緩沖區 bytebuffer buffer = bytebuffer.allocate(100); while (true) { selector.select(); //阻塞，直到有監聽的事件發生 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()) { // 有數據可以讀取 buffer.clear(); // 讀取到流末尾說明tcp連接已斷開， // 因此需要關閉通道或者取消監聽read事件 // 否則會無限循環 if (((socketchannel) key.channel()).read(buffer) == -1) { key.channel().close(); continue; } // 按字節遍歷數據 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，就用傳統的寫法了，代碼很簡短。
要嚴謹一點測試的話，應該并發運行大量client，統計服務端的響應時間，而且連接建立后不要立刻發送數據，這樣才能發揮出服務端非阻塞i/o的優勢。
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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(); // 先向服務端發送數據 os.write("hello, server!\0".getbytes()); // 讀取服務端發來的數據 int b; while ((b = is.read()) != 0) { system.out.print((char) b); } system.out.println(); socket.close(); }} |
總結
以上就是本文關于快速了解java中nio核心組件的全部內容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關內容，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！
原文鏈接：http://www.php.cn/java-article-374697.html
