Java NIO理解与使用

我不是女神ヾ 2022-07-13 20:58 137阅读 0赞

Netty的使用或许我们看着官网user guide还是很容易入门的。因为java nio使用非常的繁琐，netty对java nio进行了大量的封装。对于Netty的理解，我们首先需要了解NIO的原理和使用。所以，我也特别渴望去了解NIO这种通信模式。

官方的定义是：nio 是non-blocking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 。是不是很抽象？

在阅读[《NIO入门》][NIO]这篇技术文档之后，收获了很多。包括对Java NIO的理解和使用，所以也特别的感谢作者。

首先，还是来回顾以下从这篇文档中学到的要点。

**为什么要使用 NIO?**  
NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统，因而可以极大地提高速度。

**NIO最重要的组成部分**

通道 Channels  
缓冲区 Buffers  
选择器 Selectors

**Buffer** 是一个对象， 它包含一些要写入或者刚读出的数据。

在 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，它是写入到缓冲区中的。任何时候访问 NIO 中的数据，您都是将它放到缓冲区中。  
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不 仅仅 是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。

**Channel**是一个对象，可以通过它读取和写入数据

看完下面这个例子，基本上就理解buffer和channel的作用了

package yyf.java.nio.ibm;
    
    import java.io.*;
    import java.nio.*;
    import java.nio.channels.*;
    
    public class CopyFile {
    	static public void main(String args[]) throws Exception {
    
    		String infile = "c://test/nio_copy.txt";
    		String outfile = "c://test/result.txt";
    
    		FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
    		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
    		// 获取读的通道
    		FileChannel fcin = fin.getChannel();
    		// 获取写的通道
    		FileChannel fcout = fout.getChannel();
    		// 定义缓冲区，并指定大小
    		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    		while (true) {
    			// 清空缓冲区
    			buffer.clear();
    			//从通道读取一个数据到缓冲区
    			int r = fcin.read(buffer);
    			//判断是否有从通道读到数据
    			if (r == -1) {
    				break;
    			}
    			//将buffer指针指向头部
    			buffer.flip();
    			//把缓冲区数据写入通道
    			fcout.write(buffer);
    		}
    	}
    }

缓冲区主要是三个变量

position  
limit  
capacity  
这三个变量一起可以跟踪缓冲区的状态和它所包含的数据。我们将在下面的小节中详细分析每一个变量，还要介绍它们如何适应典型的读/写(输入/输出)进程。在这个例子中，我们假定要将数据从一个输入通道拷贝到一个输出通道。  
Position  
您可以回想一下，缓冲区实际上就是美化了的数组。在从通道读取时，您将所读取的数据放到底层的数组中。 position 变量跟踪已经写了多少数据。更准确地说，它指定了下一个字节将放到数组的哪一个元素中。因此，如果您从通道中读三个字节到缓冲区中，那么缓冲区的 position 将会设置为3，指向数组中第四个元素。  
同样，在写入通道时，您是从缓冲区中获取数据。 position 值跟踪从缓冲区中获取了多少数据。更准确地说，它指定下一个字节来自数组的哪一个元素。因此如果从缓冲区写了5个字节到通道中，那么缓冲区的 position 将被设置为5，指向数组的第六个元素。  
Limit  
limit 变量表明还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。  
position 总是小于或者等于 limit。  
Capacity  
缓冲区的 capacity 表明可以储存在缓冲区中的最大数据容量。实际上，它指定了底层数组的大小 ― 或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。  
limit 决不能大于 capacity。

缓冲区作为一个数组，这三个变量就是其中数据的标记，也很好理解。

**Selector**（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

接下来来看看具体的使用把，我创建了一个直接收消息的服务器（一边接收一边写数据可能对于新手不好理解）

服务端：

package yyf.java.nio.test;
    
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class NioReceiver {
    	@SuppressWarnings("null")
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(8);
    		ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    		Selector selector = Selector.open();
    		ssc.configureBlocking(false);
    		ServerSocket ss = ssc.socket();
    		InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(8080);
    		ss.bind(address);
    		SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    		System.out.println("开始监听……");
    		while (true) {
    			int num = selector.select();
    			Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
    			Iterator it = selectedKeys.iterator();
    			while (it.hasNext()) {
    				SelectionKey sKey = (SelectionKey) it.next();
    				SocketChannel channel = null;
    				if (sKey.isAcceptable()) {
    					ServerSocketChannel sc = (ServerSocketChannel) key.channel();
    					channel = sc.accept();// 接受连接请求
    					channel.configureBlocking(false);
    					channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    					it.remove();
    				} else if (sKey.isReadable()) {
    					channel = (SocketChannel) sKey.channel();
    					while (true) {
    						echoBuffer.clear();
    						int r = channel.read(echoBuffer);
    						if (r <= 0) {
    							channel.close();
    							System.out.println("接收完毕，断开连接");
    							break;
    						}
    						System.out.println("##" + r + " " + new String(echoBuffer.array(), 0, echoBuffer.position()));
    						echoBuffer.flip();
    					}
    					it.remove();
    				} else {
    					channel.close();
    				}
    			}
    		}
    
    	}
    
    }

客户端（NIO）：

package yyf.java.nio.test;
    
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class NioTest {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    		SocketChannel channel = null;
    		Selector selector = null;
    		channel = SocketChannel.open();
    		channel.configureBlocking(false);
    		// 请求连接
    		channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    		selector = Selector.open();
    		channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    		int num = selector.select();
    		Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
    		Iterator it = selectedKeys.iterator();
    		while (it.hasNext()) {
    			SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
    			it.remove();
    			if (key.isConnectable()) {
    				if (channel.isConnectionPending()) {
    					if (channel.finishConnect()) {
    						// 只有当连接成功后才能注册OP_READ事件
    						key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    						echoBuffer.put("123456789abcdefghijklmnopq".getBytes());
    						echoBuffer.flip();
    						System.out.println("##" + new String(echoBuffer.array()));
    						channel.write(echoBuffer);
    						System.out.println("写入完毕");
    					} else {
    						key.cancel();
    					}
    				}
    			}
    		}
    
    	}
    }

运行结果：

开始监听……
    ##8 12345678
    ##8 9abcdefg
    ##8 hijklmno
    ##2 pq
    接收完毕，断开连接

当然，BIO的客户端也可以，开启10个BIO客户端线程

package yyf.java.nio.test;
    
    import java.io.ByteArrayOutputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.io.OutputStream;
    import java.net.InetAddress;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.Socket;
    import java.net.UnknownHostException;
    import java.util.Random;
    
    import yyf.java.test.Main;
    
    public class BioClientTest {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		BioClient n = new BioClient();
    		for (int i = 0; i < 10; i++) {
    			Thread t1 = new Thread(n);
    			t1.start();
    		}
    	}
    }
    
    class BioClient implements Runnable {
    	@Override
    	public void run() {
    
    		try {
    			Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8080);
    			OutputStream os = socket.getOutputStream();
    			InputStream is = socket.getInputStream();
    			ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
    			String str = Thread.currentThread().getName() + "...........sadsadasJava";
    			os.write(str.getBytes());
    			StringBuffer sb = new StringBuffer();
    			byte[] b = new byte[1024];
    			int len;
    			while ((len = is.read(b)) != -1) {
    				bos.write(b, 0, len);
    			}
    			is.close();
    			os.close();
    			socket.close();
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完毕 " + new String(bos.toByteArray()));
    		} catch (Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    
    }

运行结果：

##8 Thread-4
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-3
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-9
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-7
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-0
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-5
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-2
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-8
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-1
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接
    ##8 Thread-6
    ##8 ........
    ##8 ...sadsa
    ##7 dasJava
    接收完毕，断开连接

当然，这只是一个测试，对于一个服务器，是有读取，也有写出的，这是文档给的一个服务端例子

package yyf.java.nio.ibm;
    
    import java.io.*;
    import java.net.*;
    import java.nio.*;
    import java.nio.channels.*;
    import java.util.*;
    
    public class MultiPortEcho {
    	private int ports[];
    	private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
    
    	public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {
    		this.ports = ports;
    		go();
    	}
    
    	private void go() throws IOException {
    		Selector selector = Selector.open();
    		for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
    			ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    			ssc.configureBlocking(false);
    			ServerSocket ss = ssc.socket();
    			InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
    			ss.bind(address);
    			SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    			System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
    		}
    
    		while (true) {
    			int num = selector.select();
    			Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
    			Iterator it = selectedKeys.iterator();
    			while (it.hasNext()) {
    				SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
    				if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
    					ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
    					SocketChannel sc = ssc.accept();
    					sc.configureBlocking(false);
    					SelectionKey newKey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    					it.remove();
    					System.out.println("Got connection from " + sc);
    				} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {
    					SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    					int bytesEchoed = 0;
    					while (true) {
    						echoBuffer.clear();
    						int r = sc.read(echoBuffer);
    						if (r <= 0) {
    							sc.close();
    							break;
    						}
    						echoBuffer.flip();
    						sc.write(echoBuffer);
    						bytesEchoed += r;
    					}
    					System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);
    					it.remove();
    				}
    
    			}
    			// System.out.println( "going to clear" );
    			// selectedKeys.clear();
    			// System.out.println( "cleared" );
    		}
    	}
    
    	static public void main(String args[]) throws Exception {
    		int ports[] = new int[] { 8080 };
    		for (int i = 0; i < args.length; ++i) {
    			ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);
    		}
    		new MultiPortEcho(ports);
    	}
    }

现在，我们就写个客户端去跟服务器通信，把发过去的返回来：

package yyf.java.nio;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.SocketAddress;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    
    import javax.swing.ButtonGroup;
    
    public class NioClient {
    	public static void main(String[] args) throws IOException {
    		SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    		SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080);
    		socketChannel.connect(socketAddress);
    		String str = "你好a";
    		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
    		socketChannel.write(buffer);
    		socketChannel.socket().shutdownOutput();
    	
    		buffer.clear();
    		byte[] bytes;
    		int count = 0;
    		while ((count = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
    			buffer.flip();
    			bytes = new byte[count];
    			buffer.get(bytes);
    			System.out.println(new String(buffer.array()));
    			buffer.clear();
    		}
    		socketChannel.socket().shutdownInput();
    		socketChannel.socket().close();
    		socketChannel.close();
    	}
    }

运行结果

server：

Going to listen on 8080
    Got connection from java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:63584]
    Echoed 7 from java.nio.channels.SocketChannel[closed]

client：

你好a

对于NIO的入门就先到这里。

[NIO]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html