JAVA NIO 简介

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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 )

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