Java NIO

1、简介

Java NIO（ New IO/Non-blocking IO） 是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同， NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

  1. 同步/异步
    客户端在请求数据的过程中，能否做其他事情？能：异步。不能：同步。
  2. 阻塞/非阻塞
    客户端与服务端是否从头到尾始终有一个持续连接，以至于占用了通道，不让其它客户端连接。（这里客户端、服务端只是用于举例）
  3. BIO（Blocking IO）
    同步阻塞IO，即传统的IO方式。这种方式是面向流的。数据的读写必须阻塞在一个线程内等待其完成。这种方式在对于少量的读写请求时，可以使用多线程解决，即适用于低负载，低并发的应用程序。但面对大量的连接请求时，这种方式无法处理。因此，需要引入NIO。
  4. NIO（New IO/Non-blocking IO）
    同步非阻塞IO。这种方式是面向缓冲区的。对于BIO提供的Socket和ServerSocket，NIO提供了SocketChannel和ServerSocketChannel。适用于高负载、高并发的应用程序。
  5. AIO（Asynchronous IO）
    异步非阻塞IO。异步IO是NIO的改进版，基于事件和回调机制实现，即应用在操作后会返回，不会堵在那里，当后台处理完成后，操作系统再通知相应线程进行后续操作。这种方式会导致在执行别的方法时突然接到通知，需要保存当前的执行进度，然后再跳转到之前的操作，导致方法间来回切换。目前应用不广泛。

2、缓冲区

  1. 缓冲区
    用于存储数据，在通道中传送。类似于火车，在发送发装数据，在接收处收数据。
    在java中表示 一个用于特定基本数据类型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区都是 Buffer 抽象类的子类 。 数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。
  2. Buffer常用子类
    ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer
  3. 获取Buffer对象
    static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为 capacity 的 XxxBuffer 对象
  4. Buffer相关概念
  • 容量 (capacity) ： 表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，创建后不能更改。
  • 限制 (limit)： 第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。
  • 位置 (position)： 下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制
  • 标记 (mark)与重置 (reset)： 标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position.
  • 标记、 位置、 限制、 容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
  1. 数据操作
  • 读
    get() ：读取单个字节
    get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
    get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)
  • 写
    put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
    put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
    put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)
  1. 直接与非直接缓冲区
    应用程序不能直接从物理磁盘中读取数据，先要将数据读到内核地址空间中，再复制到用户地址空间，再读到应用程序，写数据同理。
    在上述过程中，复制操作可以省略，因此引入直接缓冲区即物理内存映射文件，不用再进行复制操作。
    非直接缓冲区：通过 allocate() 方法分配缓冲区，将缓冲区建立在 JVM 的内存中。
    直接缓冲区：通过 allocateDirect() 方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率。

3、通道

打开到IO设备（套接字、文件等）的连接，负责在其中传输数据。类似于铁轨，用于连接两方的线路。

从计算机原理上理解，传统的IO接口需要CPU负责，当有大量的IO接口中需要传输数据时，占用大量的CPU资源。后来引入DMA，直接访问内存，不需要CPU过多干预，这种方式在有大量的数据请求时，会需要大量的DMA总线，这时会造成总线冲突。因此后来又引入了通道，通道是一个独立的处理器，拥有一套自己的命令，完全独立出来用于IO操作。

  1. Channel常见实现类
  • FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
  • DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
  • SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。
  1. 获取通道
    获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下：
    本地IO：
  • FileInputStream/FileOutputStream
  • RandomAccessFile

网络IO：

  • DatagramSocket
  • Socket
  • ServerSocket

jdk1.7之后：

  • 获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。
  • 通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。
  1. transferFrom() 函数： 将数据从源通道传输到其他 Channel 中。
  2. transferTo() 函数： 将数据从源通道传输到其他 Channel 中。

4、分散与聚集

  1. 分散读取（Scattering Reads）：将通道中的数据分散到多个缓冲区中
  2. 聚集写入（Gathering Writes）：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中

5、字符集

  1. 编码：字符串 -> 字节数组
  2. 解码：字节数组 -> 字符串

6、选择器（Selector）

  1. 选择器（ Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器， Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。 Selector 是非阻塞 IO 的核心。
  2. SelectionKey： 表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。 选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作 。
  • 当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。
  • 可以监听的事件类型（ 可使用 SelectionKey 的四个常量表示）：
    读 : SelectionKey.OP_READ （ 1）
    写 : SelectionKey.OP_WRITE （ 4）
    连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （ 8）
    接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （ 16）
  • 若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接

7、SocketChannel

  1. Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。
  2. 操作步骤：
    打开 SocketChannel
    读写数据
    关闭 SocketChannel
  3. Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中的ServerSocket一样。

8、DatagramChannel

  1. Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。
  2. 操作步骤：
    打开 DatagramChannel
    接收/发送数据

9、管道（Pipe）

  1. Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

10、NIO2

  1. 概念

JDK 7 对NIO进行了极大的扩展，增强了对文件处理和文件系统特性的支持，称为 NIO.2。因为 NIO 提供的一些功能， NIO已经成为文件处理中越来越重要的部分。

  1. Path 与 Paths
  • java.nio.file.Path 接口代表一个平台无关的平台路径，描述了目录结构中文件的位置。
  • Paths 提供的 get() 方法用来获取 Path 对象：
    Path get(String first, String … more) : 用于将多个字符串串连成路径。
  1. Files 类
  • java.nio.file.Files 用于操作文件或目录的工具类。

11、自动资源管理

  1. 概念
    Java 7 增加了一个新特性，该特性提供了另外一种管理资源的方式，这种方式能自动关闭文件。这个特性有时被称为自动资源管理(Automatic Resource Management, ARM)， 该特性以 try 语句的扩展版为基础。自动资源管理主要用于，当不再需要文件（或其他资源）时，可以防止无意中忘记释放它们。
  2. 自动资源管理基于 try 语句的扩展形式：
    try(需要关闭的资源声明){
    //可能发生异常的语句
    }catch(异常类型 变量名){
    //异常的处理语句
    }
    ……
    finally{
    //一定执行的语句
    } 当
    try 代码块结束时，自动释放资源。因此不需要显示的调用 close() 方法。该形式也称为“ 带资源的 try 语句” 。
    注意：
    ①try 语句中声明的资源被隐式声明为 final ，资源的作用局限于带资源的 try 语句
    ②可以在一条 try 语句中管理多个资源，每个资源以“;” 隔开即可。
    ③需要关闭的资源，必须实现了 AutoCloseable 接口或其自接口 Closeable