java NIO的理解（1）

妖狐艹你老母 2022-07-17 02:45 182阅读 0赞

## Java NIO 概述 ##

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

*  Channels
 *  Buffers
 *  Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件，但在我看来，Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。

Channel 和 Buffer   
基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：

![Center][]

Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

*  FileChannel
 *  DatagramChannel
 *  SocketChannel
 *  ServerSocketChannel

正如你所看到的，这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。   
与这些类一起的有一些有趣的接口，但为简单起见，我尽量在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。   
以下是Java NIO里关键的Buffer实现：

*  ByteBuffer
 *  CharBuffer
 *  DoubleBuffer
 *  FloatBuffer
 *  IntBuffer
 *  LongBuffer
 *  ShortBuffer

这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。   
Java NIO 还有个 Mappedyteuffer，用于表示内存映射文件， 我也不打算在概述中说明。

Selector   
Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。   
这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

![Center 1][]

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

## Java NIO vs. IO[![Top][]][Top 1] ##

Java NIO和IO的主要区别    
下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别，我会更详细地描述表中每部分的差异。

<table style="border:1px solid rgb(204,204,204); color:rgb(0,0,0); font-family:Helvetica,Tahoma,Arial,sans-serif; font-size:14px; line-height:22.4px"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">IO</td> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">NIO</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">Stream oriented</td> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">Buffer oriented</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">Blocking IO</td> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">Non blocking IO</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">&nbsp;</td> 
   <td style="font-size:1em; border:1px solid rgb(204,204,204); padding:3px">Selectors</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

面向流与面向缓冲    
Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO    
Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。   
  
选择器（Selectors）    
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。   
NIO和IO如何影响应用程序的设计    
无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

*  对NIO或IO类的API调用。
 *  数据处理。
 *  用来处理数据的线程数。

API调用    
当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。   
数据处理    
使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。   
在IO设计中，我们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

代码

1.  Name: Anna  
2.  Age: 25  
3.  Email: anna@mailserver.com  
4.  Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：

Java代码

1.  InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket  
2.  BufferedReader reader = **new** BufferedReader(**new** InputStreamReader(input));  
3.    
4.  String nameLine   = reader.readLine();  
5.  String ageLine    = reader.readLine();  
6.  String emailLine  = reader.readLine();  
7.  String phoneLine  = reader.readLine();

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。下图也说明了这条原则：   
![Center 2][] ** **

而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

Java代码

1.  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
2.    
3.  **int** bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。   
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。   
所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：

Java代码

1.  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
2.  **int** bytesRead = inChannel.read(buffer);  
3.  **while**(! bufferFull(bytesRead) ) \{  
4.  bytesRead = inChannel.read(buffer);  
5.  \}

bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。   
bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。   
如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：

![Center 3][]

总结   
NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。   
如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示：   
![Center 4][]

如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：

![Center 5][]

代码

1.  Name: Anna  
2.  Age: 25  
3.  Email: anna@mailserver.com  
4.  Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：

Java代码

[Center]: /images/20220717/69264611b71e4f719e40e6674076ef60.png
[Center 1]: /images/20220717/b46f6c5a45d14ef3ae4f8f7e36c3a587.png
[Top]: /images/20220717/6d1e5b47e1014bd0a9d46f68242d2a22.png
[Top 1]: http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO#top
[Center 2]: /images/20220717/ca865b6b53bf4c87bbff77d0b67aa103.png
[Center 3]: /images/20220717/58eae46818c9436da781af14ccaa7af2.png
[Center 4]: /images/20220717/79a135384af14f128dd541fa4e972c10.png
[Center 5]: /images/20220717/40543cc399e74591a4d85ba2fb81a0e0.png