NIO原理解析

NIO中主要包括幾大組件，selector、channel、buffer。selector後面介紹，channel則相似於BIO中的流，可是流的讀取是單向的，例如只能讀，或只能寫，可是channel則是雙向的。數據能夠從channel讀到buffer中，也能夠從buffer中寫入到channel中。

針對於客戶端請求服務端的場景，NIO實現的結構圖以下：

                                                                                     禁止盜圖，畫了很久。。。

 

 1、channel

 channel主要包括如下幾類

• FileChannel-------------------------->從文件中讀寫數據
• DatagramChannel------------------>經過UDP讀寫網絡中的數據
• SocketChannel----------------------->經過TCP讀寫網絡中的數據
• ServerSocketChannel--------------->監聽新進來的TCP鏈接，並生成一個SocketChannel對象

基本示例：

//建立能訪問任意位置的file文件
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
//獲取fileChannel對象
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
//分配48字節大小的byteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
//讀取channel中的數據到buffer中
int bytesRead = inChannel.read(buf);

while (bytesRead != -1) {
    System.out.println("Read " + bytesRead);
    //將buffer從寫模式切換到讀模式
    buf.flip();
    while(buf.hasRemaining()){
        System.out.print((char) buf.get());
    }
　　//清空整個緩衝區
    buf.clear();
　　//緩衝區已經所有讀完，返回-1退出循環
    bytesRead = inChannel.read(buf);
}

aFile.close();

另外channel不只能夠讀取數據到buffer中，當存在多個channel而且其中有一個channel爲fileChannel時，channel之間能夠互相傳輸數據

transferFrom() ：能夠將數據從源通道傳輸到FileChannel中

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
long position = 0;
long count = fromChannel.size();
toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);

 

transferTo()

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
long position = 0;
long count = fromChannel.size();
fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);

 

2、Buffer

一、buffer主要包括以下幾類：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

 二、使用buffer的通常步驟：

• 寫入數據到Buffer
• 調用flip()方法
• 從Buffer中讀取數據
• 調用clear()方法或者compact()方法------------>clear()方法會清空整個緩衝區，compact()只會清除已經讀過的數據

 三、buffer中的概念

爲了理解Buffer的工做原理，須要熟悉它的三個屬性：

• capacity
• position
• limit

position和limit的含義取決於Buffer處在讀模式仍是寫模式。無論Buffer處在什麼模式，capacity的含義老是同樣的。

capacity

做爲一個內存塊，Buffer有一個固定的大小值，也叫「capacity」.你只能往裏寫capacity個byte、long，char等類型。一旦Buffer滿了，須要將其清空（經過讀數據或者清除數據）才能繼續寫數據往裏寫數據。

position

當你寫數據到Buffer中時，position表示當前的位置。初始的position值爲0.當一個byte、long等數據寫到Buffer後， position會向前移動到下一個可插入數據的Buffer單元。position最大可爲capacity – 1.

當讀取數據時，也是從某個特定位置讀。當將Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置爲0. 當從Buffer的position處讀取數據時，position向前移動到下一個可讀的位置。

limit

在寫模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer裏寫多少數據。 寫模式下，limit等於Buffer的capacity。

當切換Buffer到讀模式時， limit表示你最多能讀到多少數據。所以，當切換Buffer到讀模式時，limit會被設置成寫模式下的position值。換句話說，你能讀到以前寫入的全部數據（limit被設置成已寫數據的數量，這個值在寫模式下就是position）

 四、經常使用方法

a、分配大小

//分配48字節大小的byteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

//分配2014字符大小的charBuffer
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

b、寫數據到buffer中

包括兩種方式：一是從channel中讀數據到buffer中，另一種就是調用buffer的put()方法

//1、channel讀取數據到buffer
int bytesRead = inChannel.read(buf);
//2、調用channel的put()方法
buf.put(127);

c、讀取數據

一樣包括兩種方式：一是寫入數據到channel中，另一種就是調用buffer的get()方法

//1、將數據寫入到channel中
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
//2、調用buffer的get()方法讀取數據
byte aByte = buf.get();

d、讀寫模式切換

buffer.flip()

e、清除buffer

一旦讀完Buffer中的數據，須要讓Buffer準備好再次被寫入。能夠經過clear()或compact()方法來完成。

若是調用的是clear()方法，position將被設回0，limit被設置成 capacity的值。換句話說，Buffer 被清空了。Buffer中的數據並未清除，只是這些標記告訴咱們能夠從哪裏開始往Buffer裏寫數據。

若是Buffer中有一些未讀的數據，調用clear()方法，數據將「被遺忘」，意味着再也不有任何標記會告訴你哪些數據被讀過，哪些尚未。

若是Buffer中仍有未讀的數據，且後續還須要這些數據，可是此時想要先先寫些數據，那麼使用compact()方法。

compact()方法將全部未讀的數據拷貝到Buffer起始處。而後將position設到最後一個未讀元素正後面。limit屬性依然像clear()方法同樣，設置成capacity。如今Buffer準備好寫數據了，可是不會覆蓋未讀的數據。

 

另外NIO支持scatter/gather，說白了，就是一個channel能夠讀取數據到多個buffer中去，或者多個buffer能夠寫入到channel中。當第一個buffer寫滿以後，會緊接着讀取到第二個buffer中去，以下圖：

channel-->buffer

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

buffer-->channel

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.write(bufferArray);

 

3、selector

爲啥使用selector？在傳統的BIO當中，監聽每一個客戶端的請求都須要一個線程去處理，線程數的上升會涉及到大量的上下文切換的操做，這也是很是浪費性能的。NIO中基於事件驅動的理念，使用selector監聽各類事件的發生，能夠實現只開啓一個線程

就能夠管理全部的請求，固然實際狀況合理的增長線程數能夠大大提升性能。

注意：與Selector一塊兒使用時，Channel必須處於非阻塞模式下。這意味着不能將FileChannel與Selector一塊兒使用，由於FileChannel不能切換到非阻塞模式。

 一、註冊channel到selector中

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

selectionKey用來描述事件，包括事件類型，以及對應的selector與channel等等。

第二個入參爲事件類型，主要包括四種：

• Connect
• Accept
• Read
• Write

分別用常量表示爲：

• SelectionKey.OP_CONNECT
• SelectionKey.OP_ACCEPT
• SelectionKey.OP_READ
• SelectionKey.OP_WRITE

固然selector監聽channel時，能夠對多個事件感興趣，寫法以下：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

可能對selector、channel、事件三者的關係有點亂，用故事來總結一下：selector是父母，channel是孩子，父母監督孩子學習，孩子有不少同窗，有些同窗學習好，有些同窗學習差，父母歡迎學習好的學生來家裏玩，排斥成績差的。那麼特定的事件就能夠理解

成那些成績差的同窗來家中，父母監聽到了，開始行動，將他們趕走。

 

二、selectionKey

當channel註冊到selector中時，會返回一個selectionKey對象，能夠理解成事件的描述或是對註冊的描述，主要包括這幾個部分：

a、interest集合----------------------->感興趣的事件集合。

int interestSet = selectionKey.interestOps();
//判斷事件是否在集合中
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;

b、ready集合-------------------------->通道已經準備就緒的操做的集合

int readySet = selectionKey.readyOps();
//事件是否在已準備就緒的集合中，selectionKey提供了以下方法
selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

c、Channel

Channel  channel  = selectionKey.channel();

d、Selector

Selector selector = selectionKey.selector();

e、附加的對象（可選）

用戶也能夠將buffer等其餘對象加到selectionKey上，方便後續操做

添加對象：

//添加對象到selectionKey有兩種方式
selectionKey.attach(theObject);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
//獲取此附加對象
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

 

三、select()

當把channel註冊到selector中去以後，能夠經過select()方法來監聽對應channel的特定事件。主要有三種select方法：

• int select()-------------------------------------->阻塞到被監聽的channel至少有一個事件發生。
• int select(long timeout)---------------------->在timeout(ms)的時間內阻塞，直到被監聽的channel至少有一個事件發生。
• int selectNow()--------------------------------->非阻塞，無論有沒有事件發生，都立馬返回。

四、selectedKeys()

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

完整的示例：

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
    int readyChannels = selector.select();
    if(readyChannels == 0) continue;
    Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
    while(keyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        if(key.isAcceptable()) {
            // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
        } else if (key.isConnectable()) {
            // a connection was established with a remote server.
        } else if (key.isReadable()) {
            // a channel is ready for reading
        } else if (key.isWritable()) {
            // a channel is ready for writing
    }
    keyIterator.remove();
  }
}

 

4、DatagramChannel

前面的示例都是基於TCP鏈接，如今講述一下UDP的示例.

DatagramChannel是一個能收發UDP包的通道。由於UDP是無鏈接的網絡協議，因此不能像其它通道那樣讀取和寫入。它發送和接收的是數據包。

一、打開DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

二、接收數據

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
channel.receive(buf);

三、發送數據

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));