Java NIO API详解

Java NIO API详解
2011年01月22日
　　 Java NIO API详解 [b] [b]在JDK 1.4以前，Java的IO操作集中在java.io这个包中，是基于流的阻塞（blocking）API。对于大多数应用来说，这样的API使用很方便，然而，一些对性能要求较高的应用，尤其是服务端应用，往往需要一个更为有效的方式来处理IO。从JDK 1.4起，NIO API作为一个基于缓冲区，并能提供非阻塞(non-blocking)IO操作的API被引入。本文对其进行深入的介绍。[b][b]NIO API主要集中在java.nio和它的subpackages中：[b][b]java.nio[b]定义了Buffer及其数据类型相关的子类。其中被java.nio.channels中的类用来进行IO操作的ByteBuffer的作用非常重要。[b][b]java.nio.channels[b]定义了一系列处理IO的Channel接口以及这些接口在文件系统和网络通讯上的实现。通过Selector这个类，还提供了进行非阻塞IO操作的办法。这个包可以说是NIO API的核心。[b][b]java.nio.channels.spi[b]定义了可用来实现channel和selector API的抽象类。[b][b]java.nio.charset[b] 定义了处理字符编码和解码的类。[b][b]java.nio.charset.spi[b] 定义了可用来实现charset API的抽象类。[b][b]java.nio.channels.spi和java.nio.charset.spi这两个包主要被用来对现有NIO API进行扩展，在实际的使用中，我们一般只和另外的3个包打交道。下面将对这3个包一一介绍。[b][b]Package java.nio[b]这个包主要定义了Buffer及其子类。Buffer定义了一个线性存放primitive type数据的容器接口。对于除boolean以外的其他primitive type，都有一个相应的Buffer子类，ByteBuffer是其中最重要的一个子类。[b][b]下面这张UML类图描述了java.nio中的类的关系：[b]
　　
　　[b][b][b]Buffer[/b][b]定义了一个可以线性存放primitive type数据的容器接口。Buffer主要包含了与类型（byte, char…）无关的功能。值得注意的是Buffer及其子类都不是线程安全的。[b][b]每个Buffer都有以下的属性：[b][b]capacity[b]这个Buffer最多能放多少数据。capacity一般在buffer被创建的时候指定。[b]limit[b]在Buffer上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到buffer中时，limit一般和capacity相等，当读数据时，limit代表buffer中有效数据的长度。[b]position[b]读/写操作的当前下标。当使用buffer的相对位置进行读/写操作时，读/写会从这个下标进行，并在操作完成后，buffer会更新下标的值。[b]mark[b]一个临时存放的位置下标。调用mark()会将mark设为当前的position的值，以后调用reset()会将position属性设置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值，如果将position的值设的比mark小，当前的mark值会被抛弃掉。[b][b]这些属性总是满足以下条件：[b]0 mark position limit capacity[b][b]limit和position的值除了通过limit()和position()函数来设置，也可以通过下面这些函数来改变：[b][b]Buffer clear()[b]把position设为0，把limit设为capacity，一般在把数据写入Buffer前调用。[b]Buffer flip()[b]把limit设为当前position，把position设为0，一般在从Buffer读出数据前调用。[b]Buffer rewind()[b]把position设为0，limit不变，一般在把数据重写入Buffer前调用。[b][b]Buffer对象有可能是只读的，这时，任何对该对象的写操作都会触发一个ReadOnlyBufferException。isReadOnly()方法可以用来判断一个Buffer是否只读。[b][b][b]ByteBuffer[/b][b]在Buffer的子类中，ByteBuffer是一个地位较为特殊的类，因为在java.io.channels中定义的各种channel的IO操作基本上都是围绕ByteBuffer展开的。[b][b]ByteBuffer定义了4个static方法来做创建工作：[b][b]ByteBuffer allocate(int capacity)[b]创建一个指定capacity的ByteBuffer。[b]ByteBuffer allocateDirect(int capacity)[b]创建一个direct的ByteBuffer，这样的ByteBuffer在参与IO操作时性能会更好（很有可能是在底层的实现使用了DMA技术），相应的，创建和回收direct的ByteBuffer的代价也会高一些。isDirect()方法可以检查一个buffer是否是direct的。[b]ByteBuffer wrap(byte [] array)[b]ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)[b]把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer。[b][b]ByteBuffer定义了一系列get和put操作来从中读写byte数据，如下面几个：[b][b]byte get()[b]ByteBuffer get(byte [] dst)[b]byte get(int index)[b][b]ByteBuffer put(byte b)[b]ByteBuffer put(byte [] src)[b]ByteBuffer put(int index, byte b)[b][b]这些操作可分为绝对定位和相对定为两种，相对定位的读写操作依靠position来定位Buffer中的位置，并在操作完成后会更新position的值。[b]在其它类型的buffer中，也定义了相同的函数来读写数据，唯一不同的就是一些参数和返回值的类型。[b][b]除了读写byte类型数据的函数，ByteBuffer的一个特别之处是它还定义了读写其它primitive数据的方法，如：[b][b]int getInt()[b] 从ByteBuffer中读出一个int值。[b]ByteBuffer putInt(int value)[b] 写入一个int值到ByteBuffer中。[b][b]读写其它类型的数据牵涉到字节序问题，ByteBuffer会按其字节序（大字节序或小字节序）写入或读出一个其它类型的数据（int,long…）。字节序可以用order方法来取得和设置：[b][b]ByteOrder order()[b] 返回ByteBuffer的字节序。[b]ByteBuffer order(ByteOrder bo)[b] 设置ByteBuffer的字节序。[b][b]ByteBuffer另一个特别的地方是可以在它的基础上得到其它类型的buffer。如：[b][b]CharBuffer asCharBuffer()[b]为当前的ByteBuffer创建一个CharBuffer的视图。在该视图buffer中的读写操作会按照ByteBuffer的字节序作用到ByteBuffer中的数据上。[b][b]用这类方法创建出来的buffer会从ByteBuffer的position位置开始到limit位置结束，可以看作是这段数据的视图。视图buffer的readOnly属性和direct属性与ByteBuffer的一致，而且也只有通过这种方法，才可以得到其他数据类型的direct buffer。[b][b][b]ByteOrder[/b][b]用来表示ByteBuffer字节序的类，可将其看成java中的enum类型。主要定义了下面几个static方法和属性：[b][b]ByteOrder BIG_ENDIAN[b] 代表大字节序的ByteOrder。[b]ByteOrder LITTLE_ENDIAN[b] 代表小字节序的ByteOrder。[b]ByteOrder nativeOrder()[b] 返回当前硬件平台的字节序。[b][b][b]MappedByteBuffer[/b][b]ByteBuffer的子类，是文件内容在内存中的映射。这个类的实例需要通过FileChannel的map()方法来创建。[b][b][b]接下来看看一个使用ByteBuffer的例子，这个例子从标准输入不停地读入字符，当读满一行后，将收集的字符写到标准输出：[b] [b]public[/b] [b]static[/b] [b]void[/b] main(String [] args) [b] [b]throws[/b] IOException[b] {[b] // 创建一个capacity为256的ByteBuffer[b] ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256);[b] [b]while[/b] ([b]true[/b]) {[b] // 从标准输入流读入一个字符[b] [b]int[/b] c = System.in.read();[b] // 当读到输入流结束时，退出循环[b] [b]if[/b] (c == -1)[b] [b]break[/b];[b] [b] // 把读入的字符写入ByteBuffer中[b] buf.put(([b]byte[/b]) c);[b] // 当读完一行时，输出收集的字符[b] [b]if[/b] (c == '\n') {[b] // 调用flip()使limit变为当前的position的值,position变为0,[b] // 为接下来从ByteBuffer读取做准备[b] buf.flip();[b] // 构建一个byte数组[b] [b]byte[/b] [] content = [b]new[/b] [b]byte[/b][buf.limit()];[b] // 从ByteBuffer中读取数据到byte数组中[b] buf.get(content);[b] // 把byte数组的内容写到标准输出[b] System.out.print([b]new[/b] String(content));[b] // 调用clear()使position变为0,limit变为capacity的值，[b] // 为接下来写入数据到ByteBuffer中做准备[b] buf.clear();[b] }[b] }[b] }[b][b][b]Package java.nio.channels[b]这个包定义了Channel的概念，Channel表现了一个可以进行IO操作的通道（比如，通过FileChannel，我们可以对文件进行读写操作）。java.nio.channels包含了文件系统和网络通讯相关的channel类。这个包通过Selector和SelectableChannel这两个类，还定义了一个进行非阻塞（non-blocking）IO操作的API，这对需要高性能IO的应用非常重要。[b][b]下面这张UML类图描述了java.nio.channels中interface的关系：[b]
　　
　　[b][b][b]Channel[/b][b]Channel表现了一个可以进行IO操作的通道，该interface定义了以下方法：[b][b]boolean isOpen()[b] 该Channel是否是打开的。[b]void close()[b] 关闭这个Channel，相关的资源会被释放。[b][b][b]ReadableByteChannel[/b][b]定义了一个可从中读取byte数据的channel interface。[b][b]int read(ByteBuffer dst)[b]从channel中读取byte数据并写到ByteBuffer中。返回读取的byte数。[b][b][b]WritableByteChannel[/b][b]定义了一个可向其写byte数据的channel interface。[b][b]int write(ByteBuffer src)[b] 从ByteBuffer中读取byte数据并写到channel中。返回写出的byte数。[b][b][b]ByteChannel[/b][b]ByteChannel并没有定义新的方法，它的作用只是把ReadableByteChannel和WritableByteChannel合并在一起。[b][b][b]ScatteringByteChannel[/b][b]继承了ReadableByteChannel并提供了同时往几个ByteBuffer中写数据的能力。[b][b][b]GatheringByteChannel[/b][b]继承了WritableByteChannel并提供了同时从几个ByteBuffer中读数据的能力。[b][b][b]InterruptibleChannel[/b][b]用来表现一个可以被异步关闭的Channel。这表现在两方面：[b]1． 当一个InterruptibleChannel的close()方法被调用时，其它block在这个InterruptibleChannel的IO操作上的线程会接收到一个AsynchronousCloseException。[b]2． 当一个线程block在InterruptibleChannel的IO操作上时，另一个线程调用该线程的interrupt()方法会导致channel被关闭，该线程收到一个ClosedByInterruptException，同时线程的interrupt状态会被设置。[b][b][b]接下来的这张UML类图描述了java.nio.channels中类的关系：[b]
　　
　　[b][b][b]非阻塞IO[/b][b]非阻塞IO的支持可以算是NIO API中最重要的功能，非阻塞IO允许应用程序同时监控多个channel以提高性能，这一功能是通过Selector，SelectableChannel和SelectionKey这3个类来实现的。[b][b]SelectableChannel代表了可以支持非阻塞IO操作的channel，可以将其注册在Selector上，这种注册的关系由SelectionKey这个类来表现（见UML图）。Selector这个类通过select()函数，给应用程序提供了一个可以同时监控多个IO channel的方法：[b][b]应用程序通过调用select()函数，让Selector监控注册在其上的多个SelectableChannel，当有channel的IO操作可以进行时，select()方法就会返回以让应用程序检查channel的状态，并作相应的处理。[b][b]下面是JDK 1.4中非阻塞IO的一个例子，这段code使用了非阻塞IO实现了一个time server：[b] [b]private[/b] [b]static[/b] [b]void[/b] acceptConnections([b]int[/b] port) [b]throws[/b] Exception {[b] // 打开一个Selector[b] Selector acceptSelector = [b] SelectorProvider.provider().openSelector();[b][b] // 创建一个ServerSocketChannel，这是一个SelectableChannel的子类[b] ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();[b] // 将其设为non-blocking状态，这样才能进行非阻塞IO操作[b] ssc.configureBlocking([b]false[/b]);[b][b] // 给ServerSocketChannel对应的socket绑定IP和端口[b] InetAddress lh = InetAddress.getLocalHost();[b] InetSocketAddress isa = [b]new[/b] InetSocketAddress(lh, port);[b] ssc.socket().bind(isa);[b][b] // 将ServerSocketChannel注册到Selector上，返回对应的SelectionKey[b] SelectionKey acceptKey = [b] ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);[b][b] [b]int[/b] keysAdded = 0;[b][b] // 用select()函数来监控注册在Selector上的SelectableChannel[b] // 返回值代表了有多少channel可以进行IO操作 (ready for IO)[b] [b]while[/b] ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {[b] // selectedKeys()返回一个SelectionKey的集合，[b] // 其中每个SelectionKey代表了一个可以进行IO操作的channel。[b] // 一个ServerSocketChannel可以进行IO操作意味着有新的TCP连接连入了[b] Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();[b] Iterator i = readyKeys.iterator();[b][b] [b]while[/b] (i.hasNext()) {[b] SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();[b] // 需要将处理过的key从selectedKeys这个集合中删除[b] i.remove();[b] // 从SelectionKey得到对应的channel[b] ServerSocketChannel nextReady = [b] (ServerSocketChannel) sk.channel();[b] // 接受新的TCP连接[b] Socket s = nextReady.accept().socket();[b] // 把当前的时间写到这个新的TCP连接中[b] PrintWriter out = [b] [b]new[/b] PrintWriter(s.getOutputStream(), [b]true[/b]);[b] Date now = [b]new[/b] Date();[b] out.println(now);[b] // 关闭连接[b] out.close();[b] }[b] }[b] }[b]这是个纯粹用于演示的例子，因为只有一个ServerSocketChannel需要监控，所以其实并不真的需要使用到非阻塞IO。不过正因为它的简单，可以很容易地看清楚非阻塞IO是如何工作的。[b][b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b][/b]