java nio簡介

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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 是操做系統的底層功能實現，底層經過 I/O 指令進行完成。

全部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。基於本地方法的底層實現，咱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 裏提供的新 api 。 Sun 官方標榜的特性以下：

–     爲全部的原始類型提供 (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

–        用於向 buffer 提供數據或者讀取 buffer 數據 ,buffer 對象的惟一接口。

–         異步 I/O 支持

圖1：channel和buffer關係
 

例子 1:CopyFile.java:

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();
// 建立緩衝區
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (true) {
// clear方法重設緩衝區，使它能夠接受讀入的數據
buffer.clear();
// 從輸入通道中將數據讀到緩衝區
int r = fcin.read(buffer);
// read方法返回讀取的字節數，可能爲零，若是該通道已到達流的末尾，則返回-1
if (r == -1) {
break;
}
// flip方法讓緩衝區能夠將新讀入的數據寫入另外一個通道
buffer.flip();
// 從輸出通道中將數據寫入緩衝區
fcout.write(buffer);
}
}
}

其中 buffer 內部結構以下 ( 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以下表格：

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	表明最多能寫多少單位數據和容量是同樣的。	表明最多能讀多少單位數據，和以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 重置爲 0 ，通常用於重複讀。

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 能夠標記一個位置， reset 能夠重置到該位置。

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)

在本機上面作了個簡單的性能測試。個人筆記本性能通常。 ( 具體代碼能夠見附件。見 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 如下是參考數據：

–        場景 1 ： Copy 一個 370M 的文件

–        場景 2: 三個線程同時拷貝，每一個線程拷貝一個 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 : 字節碼自己只是一些數字，放到正確的上下文中被正確被解析。向 ByteBuffer 中存放數據時須要考慮字符集的編碼方式，讀取展現 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。

以咱們最多見的 http 請求爲例，在請求的時候必須對請求進行正確的編碼。在獲得響應時必須對響應進行正確的解碼。

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

例子   2BaiduReader.java

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");// 建立GBK字符集
private SocketChannel channel;
public void readHTMLContent() {
try {
InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
"www.baidu.com", 80);
//step1:打開鏈接
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);// 建立1024字節的緩衝
while (channel.read(buffer) != -1) {
buffer.flip();// flip方法在讀緩衝區字節操做以前調用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
// 使用Charset.decode方法將字節轉換爲字符串
buffer.clear();// 清空緩衝
}
} 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

關於非阻塞 IO 將從何爲阻塞、何爲非阻塞、非阻塞原理和異步核心 API 幾個方面來理解。

何爲阻塞？

一個常見的網絡 IO 通信流程以下 :

 

圖3：網絡通信基本過程

從該網絡通信過程來理解一下何爲阻塞 :

在以上過程當中若鏈接還沒到來，那麼 accept 會阻塞 , 程序運行到這裏不得不掛起， CPU 轉而執行其餘線程。

在以上過程當中若數據還沒準備好， read 會同樣也會阻塞。

阻塞式網絡 IO 的特色：多線程處理多個鏈接。每一個線程擁有本身的棧空間而且佔用一些 CPU 時間。每一個線程遇到外部爲準備好的時候，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多是無心義的。好比假設一個線程監聽一個端口，一天只會有幾回請求進來，可是該 cpu 不得不爲該線程不斷作上下文切換嘗試，大部分的切換以阻塞了結。

 

何爲非阻塞？

下面有個隱喻：

一輛從 A 開往 B 的公共汽車上，路上有不少點可能會有人下車。司機不知道哪些點會有哪些人會下車，對於須要下車的人，如何處理更好？

1. 司機過程當中定時詢問每一個乘客是否到達目的地，如有人說到了，那麼司機停車，乘客下車。 ( 相似阻塞式 )

2. 每一個人告訴售票員本身的目的地，而後睡覺，司機只和售票員交互，到了某個點由售票員通知乘客下車。 ( 相似非阻塞 )

很顯然，每一個人要到達某個目的地能夠認爲是一個線程，司機能夠認爲是 CPU 。在阻塞式裏面，每一個線程須要不斷的輪詢，上下文切換，以達到找到目的地的結果。而在非阻塞方式裏，每一個乘客 ( 線程 ) 都在睡覺 ( 休眠 ) ，只在真正外部環境準備好了才喚醒，這樣的喚醒確定不會阻塞。

  非阻塞的原理

把整個過程切換成小的任務，經過任務間協做完成。

由一個專門的線程來處理全部的 IO 事件，並負責分發。

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。

線程通信：線程之間經過 wait,notify 等方式通信。保證每次上下文切換都是有意義的。減小無謂的進程切換。

如下是異步 IO 的結構：

 

圖4：非阻塞基本原理

 

Reactor 就是上面隱喻的售票員角色。每一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，並將事件分發出去。

使用一個 select 線程就能監聽多個通道上的事件，並基於事件驅動觸發相應的響應。而不須要爲每一個 channel 去分配一個線程。