JAVA NIO是什么？

1.???基本?概念

IO 是主存和外部設備 ( 硬盤、終端和網絡等 ) 拷貝數據的過程。 IO 是操作系統的底層功能實現，底層通過 I/O 指令進行完成。

所有語言運行時系統提供執行 I/O 較高級別的工具。 (c 的 printf scanf,java 的面向對象封裝 )

2.????Java?標準 io?回顧

Java 標準 IO 類庫是 io 面向對象的一種抽象。基于本地方法的底層實現，我們無須關注底層實現。 InputStream\OutputStream( 字節流) ：一次傳送一個字節。 Reader\Writer( 字符流 ) ：一次一個字符。

3.????nio?簡介

nio 是 java New IO 的簡稱，在 jdk1.4 里提供的新 api 。 Sun 官方標榜的特性如下：

–???? 為所有的原始類型提供 (Buffer) 緩存支持。

–???? 字符集編碼解碼解決方案。

–???? Channel ：一個新的原始 I/O 抽象。

–???? 支持鎖和內存映射文件的文件訪問接口。

–???? 提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸縮性網絡 I/O 。

本文將圍繞這幾個特性進行學習和介紹。

4.???Buffer&Chanel

Channel 和 buffer 是 NIO 是兩個最基本的數據類型抽象。

Buffer:

–??????? 是一塊連續的內存塊。

–??????? 是 NIO 數據讀或寫的中轉地。

Channel:

–??????? 數據的源頭或者數據的目的地

–??????? 用于向 buffer 提供數據或者讀取 buffer 數據 ,buffer 對象的唯一接口。

–???????? 異步 I/O 支持

圖1：channel和buffer關系

?

例子 1:CopyFile.java:

?

Java代碼??

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”;

??????? // 獲取源文件和目標文件的輸入輸出流

??????? FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);

??????? FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);

??????? // 獲取輸入輸出通道

??????? FileChannel fcin = fin.getChannel();

??????? FileChannel fcout = fout.getChannel();

??????? // 創建緩沖區

??????? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

??????? while (true) {

??????????? // clear方法重設緩沖區，使它可以接受讀入的數據

??????????? buffer.clear();

??????????? // 從輸入通道中將數據讀到緩沖區

??????????? int r = fcin.read(buffer);

??????????? // read方法返回讀取的字節數，可能為零，如果該通道已到達流的末尾，則返回-1

??????????? if (r == -1) {

??????????????? break;

??????????? }

??????????? // flip方法讓緩沖區可以將新讀入的數據寫入另一個通道

??????????? buffer.flip();

??????????? // 從輸出通道中將數據寫入緩沖區

??????????? fcout.write(buffer);

??????? }

??? }

}

?

?

其中 buffer 內部結構如下 ( 下圖拷貝自資料 ):

圖2：buffer內部結構

一個 buffer 主要由 position,limit,capacity 三個變量來控制讀寫的過程。此三個變量的含義見如下表格：

參數	寫模式???	讀模式
position	當前寫入的單位數據數量。	當前讀取的單位數據位置。
limit	代表最多能寫多少單位數據和容量是一樣的。	代表最多能讀多少單位數據，和之前寫入的單位數據量一致。
capacity	buffer 容量	buffer 容量

Buffer 常見方法：

flip(): 寫模式轉換成讀模式

rewind() ：將 position 重置為 0 ，一般用于重復讀。

clear() ：清空 buffer ，準備再次被寫入 (position 變成 0 ， limit 變成 capacity) 。

compact(): 將未讀取的數據拷貝到 buffer 的頭部位。

mark() 、 reset():mark 可以標記一個位置， reset 可以重置到該位置。

Buffer 常見類型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、ShortBuffer 。

channel 常見類型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

在本機上面做了個簡單的性能測試。我的筆記本性能一般。 ( 具體代碼可以見附件。見 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是參考數據：

–??????? 場景 1 ： Copy 一個 370M 的文件

–??????? 場景 2: 三個線程同時拷貝，每個線程拷貝一個 370M 文件

?

場景	FileInputStream+ FileOutputStream	FileInputStream+ BufferedInputStream+ FileOutputStream	ByteBuffer+ FileChannel	MappedByteBuffer +FileChannel
場景一時間 ( 毫秒)	25155	17500	19000	16500
場景二時間 ( 毫秒 )	69000	67031	74031	71016

5.????nio.charset

字符編碼解碼 : 字節碼本身只是一些數字，放到正確的上下文中被正確被解析。向 ByteBuffer 中存放數據時需要考慮字符集的編碼方式，讀取展示 ByteBuffer 數據時涉及對字符集解碼。

Java.nio.charset 提供了編碼解碼一套解決方案。

以我們最常見的 http 請求為例，在請求的時候必須對請求進行正確的編碼。在得到響應時必須對響應進行正確的解碼。

以下代碼向 baidu 發一次請求，并獲取結果進行顯示。例子演示到了 charset 的使用。

例子 2BaiduReader.java

Java代碼??

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”);// 創建GBK字符集

??? private SocketChannel channel;

??? public void readHTMLContent() {

??????? try {

??????????? InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(

“www.baidu.com”, 80);

//step1:打開連接

??????????? channel = SocketChannel.open(socketAddress);

??????? //step2:發送請求，使用GBK編碼

??????????? channel.write(charset.encode(“GET ” + “/ HTTP/1.1″ + “\r\n\r\n”));

??????????? //step3:讀取數據

??????????? ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 創建1024字節的緩沖

??????????? while (channel.read(buffer) != -1) {

??????????????? buffer.flip();// flip方法在讀緩沖區字節操作之前調用。

??????????????? System.out.println(charset.decode(buffer));

??????????????? // 使用Charset.decode方法將字節轉換為字符串

??????????????? buffer.clear();// 清空緩沖

??????????? }

??????? } 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

關于非阻塞 IO 將從何為阻塞、何為非阻塞、非阻塞原理和異步核心 API 幾個方面來理解。

何為阻塞？

一個常見的網絡 IO 通訊流程如下 :

?

圖3：網絡通訊基本過程

從該網絡通訊過程來理解一下何為阻塞 :

在以上過程中若連接還沒到來，那么 accept 會阻塞 , 程序運行到這里不得不掛起， CPU 轉而執行其他線程。

在以上過程中若數據還沒準備好， read 會一樣也會阻塞。

阻塞式網絡 IO 的特點：多線程處理多個連接。每個線程擁有自己的棧空間并且占用一些 CPU 時間。每個線程遇到外部為準備好的時候，都會阻塞掉。阻塞的結果就是會帶來大量的進程上下文切換。且大部分進程上下文切換可能是無意義的。比如假設一個線程監聽一個端口，一天只會有幾次請求進來，但是該 cpu 不得不為該線程不斷做上下文切換嘗試，大部分的切換以阻塞告終。

?

何為非阻塞？

下面有個隱喻：

一輛從 A 開往 B 的公共汽車上，路上有很多點可能會有人下車。司機不知道哪些點會有哪些人會下車，對于需要下車的人，如何處理更好？

1. 司機過程中定時詢問每個乘客是否到達目的地，若有人說到了，那么司機停車，乘客下車。 ( 類似阻塞式 )

2. 每個人告訴售票員自己的目的地，然后睡覺，司機只和售票員交互，到了某個點由售票員通知乘客下車。 ( 類似非阻塞 )

很顯然，每個人要到達某個目的地可以認為是一個線程，司機可以認為是 CPU 。在阻塞式里面，每個線程需要不斷的輪詢，上下文切換，以達到找到目的地的結果。而在非阻塞方式里，每個乘客 ( 線程 ) 都在睡覺 ( 休眠 ) ，只在真正外部環境準備好了才喚醒，這樣的喚醒肯定不會阻塞。

非阻塞的原理

把整個過程切換成小的任務，通過任務間協作完成。

由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發。

事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。

線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的進程切換。

以下是異步 IO 的結構：

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圖4：非阻塞基本原理

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Reactor 就是上面隱喻的售票員角色。每個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。

異步 IO?核心 API

Selector

異步 IO 的核心類，它能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件，并將事件分發出去。

使用一個 select 線程就能監聽多個通道上的事件，并基于事件驅動觸發相應的響應。而不需要為每個 channel 去分配一個線程。

SelectionKey

包含了事件的狀態信息和時間對應的通道的綁定。

例子 1 單線程實現監聽兩個端口。 ( 見 nio.asyn 包下面的例子。 )

例子 2 NIO 線程協作實現資源合理利用。 (wait,notify) 。 ( 見 nio.asyn.multithread 下的例子 )

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

本文鏈接地址:?JAVA NIO是什么

來源：?<http://www.hongyanliren.com/2014m12/27318.html>?

來自為知筆記(Wiz)

總結

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