Java NIO原理和使用

Java NIO非堵塞应用通常适用用在I/O读写等方面,我们知道,系统运行的性能瓶颈通常在I/O读写,包括对端口和文件的操作上,过去,在打开一个I/O通道后,read()将一直等待在端口一边读取字节内容,如果没有内容进来,read()也是傻傻的等,这会影响我们程序继续做其他事情,那么改进做法就是开设线程,让线程去等待,但是这样做也是相当耗费资源的。

Java NIO非堵塞技术实际是采取Reactor模式,或者说是Observer模式为我们监察I/O端口,如果有内容进来,会自动通知我们,这样,我们就不必开启多个线程死等,从外界看,实现了流畅的I/O读写,不堵塞了。

Java NIO出现不只是一个技术性能的提高,你会发现网络上到处在介绍它,因为它具有里程碑意义,从JDK1.4开始,Java开始提高性能相关的功能,从而使得Java在底层或者并行分布式计算等操作上已经可以和C或Perl等语言并驾齐驱。

如果你至今还是在怀疑Java的性能,说明你的思想和观念已经完全落伍了,Java一两年就应该用新的名词来定义。从JDK1.5开始又要提供关于线程、并发等新性能的支持,Java应用在游戏等适时领域方面的机会已经成熟,Java在稳定自己中间件地位后,开始蚕食传统C的领域。

本文主要简单介绍NIO的基本原理,在下一篇文章中,将结合Reactor模式和著名线程大师Doug Lea的一篇文章深入讨论。

NIO主要原理和适用。

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者,只要我们把需要探知的socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情,当有事件发生时,他会通知我们,传回一组SelectionKey,我们读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后,我们从这个Channel中读取数据,放心,包准能够读到,接着我们可以处理这些数据。

Selector内部原理实际是在做一个对所注册的channel的轮询访问,不断的轮询(目前就这一个算法),一旦轮询到一个channel有所注册的事情发生,比如数据来了,他就会站起来报告,交出一把钥匙,让我们通过这把钥匙来读取这个channel的内容。

了解了这个基本原理,我们结合代码看看使用,在使用上,也在分两个方向,一个是线程处理,一个是用非线程,后者比较简单,看下面代码:

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.channels.spi.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
/**
*
* @author Administrator
* @version
*/

public class NBTest {

  /** Creates new NBTest */
  public NBTest()
  {
  }

  public void startServer() throws Exception
  {
  int channels = 0;
  int nKeys = 0;
  int currentSelector = 0;

  //使用Selector
  Selector selector = Selector.open();

  //建立Channel 并绑定到9000端口
  ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
  InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),9000);
  ssc.socket().bind(address);

  //使设定non-blocking的方式。
  ssc.configureBlocking(false);

  //向Selector注册Channel及我们有兴趣的事件
  SelectionKey s = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  printKeyInfo(s);

  while(true) //不断的轮询
  {
    debug(“NBTest: Starting select”);

    //Selector通过select方法通知我们我们感兴趣的事件发生了。
    nKeys = selector.select();
    //如果有我们注册的事情发生了,它的传回值就会大于0
    if(nKeys > 0)
    {
      debug(“NBTest: Number of keys after select operation: ” +nKeys);

      //Selector传回一组SelectionKeys
      //我们从这些key中的channel()方法中取得我们刚刚注册的channel。
      Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator i = selectedKeys.iterator();
      while(i.hasNext())
      {
         s = (SelectionKey) i.next();
         printKeyInfo(s);
         debug(“NBTest: Nr Keys in selector: ” +selector.keys().size());

         //一个key被处理完成后,就都被从就绪关键字(ready keys)列表中除去
         i.remove();
         if(s.isAcceptable())
         {
           // 从channel()中取得我们刚刚注册的channel。
           Socket socket = ((ServerSocketChannel)s.channel()).accept().socket();
           SocketChannel sc = socket.getChannel();

           sc.configureBlocking(false);
           sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE);
                      System.out.println(++channels);
         }
         else
         {
           debug(“NBTest: Channel not acceptable”);
         }
      }
   }
   else
   {
      debug(“NBTest: Select finished without any keys.”);
   }

  }

}

private static void debug(String s)
{
  System.out.println(s);
}

private static void printKeyInfo(SelectionKey sk)
{
  String s = new String();

  s = “Att: ” + (sk.attachment() == null ? “no” : “yes”);
  s += “, Read: ” + sk.isReadable();
  s += “, Acpt: ” + sk.isAcceptable();
  s += “, Cnct: ” + sk.isConnectable();
  s += “, Wrt: ” + sk.isWritable();
  s += “, Valid: ” + sk.isValid();
  s += “, Ops: ” + sk.interestOps();
  debug(s);
}

/**
* @param args the command line arguments
*/
public static void main (String args[])
{
  NBTest nbTest = new NBTest();
  try
  {
    nbTest.startServer();
  }
    catch(Exception e)
  {
    e.printStackTrace();
  }
}

}

这是一个守候在端口9000的noblock server例子,如果我们编制一个客户端程序,就可以对它进行互动操作,或者使用telnet 主机名 90000 可以链接上。

通过仔细阅读这个例程,相信你已经大致了解NIO的原理和使用方法,下一篇,我们将使用多线程来处理这些数据,再搭建一个自己的Reactor模式。

JAVA NIO 简介

http://www.iteye.com/topic/834447

1. 基本 概念
IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现,底层通过 I/O 指令进行完成。
所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。 (c 的 printf scanf,java 的面向对象封装 )
2. Java 标准 io 回顾
Java 标准 IO 类库是 io 面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。 InputStreamOutputStream( 字节流 ) :一次传送一个字节。 ReaderWriter( 字符流 ) :一次一个字符。
3. nio 简介
nio 是 java New IO 的简称,在 jdk1.4 里提供的新 api 。 Sun 官方标榜的特性如下:
– 为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。
– 字符集编码解码解决方案。
– Channel :一个新的原始 I/O 抽象。
– 支持锁和内存映射文件的文件访问接口。
– 提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。
本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。
4. Buffer&Chanel
Channel 和 buffer 是 NIO 是两个最基本的数据类型抽象。
Buffer:
– 是一块连续的内存块。
– 是 NIO 数据读或写的中转地。
Channel:
– 数据的源头或者数据的目的地
– 用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据 ,buffer 对象的唯一接口。
– 异步 I/O 支持

图1:channel和buffer关系

例子 1:CopyFile.java:
Java代码
package sample;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class CopyFile {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String infile = “C:\copy.sql”;
String outfile = “C:\copy.txt”;
// 获取源文件和目标文件的输入输出流
FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
// 获取输入输出通道
FileChannel fcin = fin.getChannel();
FileChannel fcout = fout.getChannel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (true) {
// clear方法重设缓冲区,使它可以接受读入的数据
buffer.clear();
// 从输入通道中将数据读到缓冲区
int r = fcin.read(buffer);
// read方法返回读取的字节数,可能为零,如果该通道已到达流的末尾,则返回-1
if (r == -1) {
break;
}
// flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
buffer.flip();
// 从输出通道中将数据写入缓冲区
fcout.write(buffer);
}
}
}

其中 buffer 内部结构如下 ( 下图拷贝自资料 ):

图2:buffer内部结构
一个 buffer 主要由 position,limit,capacity 三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格:
参数
写模式
读模式
position
当前写入的单位数据数量。
当前读取的单位数据位置。
limit
代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。
代表最多能读多少单位数据,和之前写入的单位数据量一致。
capacity
buffer 容量
buffer 容量
Buffer 常见方法:
flip(): 写模式转换成读模式
rewind() :将 position 重置为 0 ,一般用于重复读。
clear() :清空 buffer ,准备再次被写入 (position 变成 0 , limit 变成 capacity) 。
compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。
mark() 、 reset():mark 可以标记一个位置, reset 可以重置到该位置。
Buffer 常见类型: ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。
channel 常见类型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)
在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。 ( 具体代码可以见附件。见 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是参考数据:
– 场景 1 : Copy 一个 370M 的文件
– 场景 2: 三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个 370M 文件

场景
FileInputStream+
FileOutputStream
FileInputStream+
BufferedInputStream+
FileOutputStream
ByteBuffer+
FileChannel
MappedByteBuffer
+FileChannel
场景一时间 ( 毫秒 )
25155
17500
19000
16500
场景二时间 ( 毫秒 )
69000
67031
74031
71016
5. nio.charset
字符编码解码 : 字节码本身只是一些数字,放到正确的上下文中被正确被解析。向 ByteBuffer 中存放数据时需要考虑字符集的编码方式,读取展示 ByteBuffer 数据时涉及对字符集解码。
Java.nio.charset 提供了编码解码一套解决方案。
以我们最常见的 http 请求为例,在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。
以下代码向 baidu 发一次请求,并获取结果进行显示。例子演示到了 charset 的使用。
例子 2BaiduReader.java
Java代码
package nio.readpage;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
private Charset charset = Charset.forName(“GBK”);// 创建GBK字符集
private SocketChannel channel;
public void readHTMLContent() {
try {
InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
“www.baidu.com”, 80);
//step1:打开连接
channel = SocketChannel.open(socketAddress);
//step2:发送请求,使用GBK编码
channel.write(charset.encode(“GET ” + “/ HTTP/1.1” + “rnrn”));
//step3:读取数据
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲
while (channel.read(buffer) != -1) {
buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
// 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
buffer.clear();// 清空缓冲
}
} catch (IOException e) {
System.err.println(e.toString());
} finally {
if (channel != null) {
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new BaiduReader().readHTMLContent();
}
}

6. 非阻塞 IO
关于非阻塞 IO 将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心 API 几个方面来理解。
何为阻塞?
一个常见的网络 IO 通讯流程如下 :

图3:网络通讯基本过程
从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞 :
在以上过程中若连接还没到来,那么 accept 会阻塞 , 程序运行到这里不得不挂起, CPU 转而执行其他线程。
在以上过程中若数据还没准备好, read 会一样也会阻塞。
阻塞式网络 IO 的特点:多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些 CPU 时间。每个线程遇到外部为准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该 cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞?
下面有个隐喻:
一辆从 A 开往 B 的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?
1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。 ( 类似阻塞式 )
2. 每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )
很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ,只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。
非阻塞的原理
把整个过程切换成小的任务,通过任务间协作完成。
由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。
事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。
以下是异步 IO 的结构:

图4:非阻塞基本原理

Reactor 就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。
异步 IO 核心 API
Selector
异步 IO 的核心类,它能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件,并将事件分发出去。
使用一个 select 线程就能监听多个通道上的事件,并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个 channel 去分配一个线程。
SelectionKey
包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。
例子 1 单线程实现监听两个端口。 ( 见 nio.asyn 包下面的例子。 )
例子 2 NIO 线程协作实现资源合理利用。 (wait,notify) 。 ( 见 nio.asyn.multithread 下的例子 )

Java常用集合包适用场景

1. ArrayList

基于数组方式实现,无容量的限制。

在执行插入元素时可能要扩容,在删除元素时并不会减少数组的容量。

如果希望相应的缩小数组容量,可以调用trimToSize()

在查找元素时要遍历数组,对于非null的元素采取equals的方式寻找。

非线程安全。

2. LinkedList

基于双向链表机制实现。

元素的插入、移动较快。

非线程安全。

3. Vector

基于Object数组的方式来实现的。

基于synchronized实现的线程安全的ArrayList。

在插入元素时容量扩充的机制和ArrayList稍有不同:
如果capcacityIncrement > 0, 则Object数组的大小扩大为现有size加上capcacityIncrement;
如果capcacityIncrement < 0, 则Object数组的大小扩大为现有size的两倍;

4. Stack

基于Vector实现,支持LIFO。

5. HashSet

基于HashMap实现,无容量限制。

不允许元素重复。

非线程安全。

6. TreeSet

基于TreeMap实现,支持排序。

非线程安全。

7. HashMap

采用数组方式存储key、value构成的Entry对象,无容量限制。

基于key hash寻找Entry对象存放到数组的位置,对于hash冲突采用链表的方式来解决。

在插入元素时可能会扩大数组的容量,在扩大容量时会重新计算hash,并复制对象到新的数组中。

非线程安全。

8. TreeMap

基于红黑树实现,无容量限制。

非线程安全。

———————————–
适用场景:

对于查找和删除较为频繁,且元素数量较多的应用,Set或Map是更好的选择;

ArrayList适用于通过为位置来读取元素的场景;

LinkedList 适用于要头尾操作或插入指定位置的场景;

Vector 适用于要线程安全的ArrayList的场景;

Stack 适用于线程安全的LIFO场景;

HashSet 适用于对排序没有要求的非重复元素的存放;

TreeSet 适用于要排序的非重复元素的存放;

HashMap 适用于大部分key-value的存取场景;

TreeMap 适用于需排序存放的key-value场景。