Java NIO简介

Java NIO详解

最新推荐文章于 2025-04-19 20:03:32 发布

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分类专栏： JAVA基础文章标签：多线程异步 io NIO

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1.基本概念

IO是主存和外部设备(硬盘、终端和网络等)拷贝数据的过程。IO是操作系统的底层功能实现，底层通过I/O指令进行操作。

所有的语言在运行系统都提供了执行I/O较高级别的工具(C的printf、scanf；java的面向对象封装)。

2.java标准IO回顾

java标准IO类库是IO面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现，我们无须关注底层实现。如InputStream/OutputStream(字节流)是一次传送一个字节。Reader/Writer(字符流)：一次一个字符。

3.NIO简介

NIO是java New IO的简称，在jdk1.4里提供了新的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IO的抽象

——支持锁和内存映射文件的文件访问接口。

——提供多路(non-blocking)非阻塞式的高伸缩性网络IO

下面我们将围绕这几个特性进行探讨

4.Buffer和Channel

Channel和Buffer是NIO两个最基本的数据类型抽象。

Buffer

——是一块连续的内存块

——是NIO数据读或写的中转池

Channel

——数据的源头或者数据的目的地

——用于向Buffer提供数据或者读取Buffer数据，Buffer对象的唯一接口

——异步IO的支持

Channel和Buffer的关系如下图：

下面通过一个示例来体会：

public class CopyFile {

	public static void main(String[] args) {
		
		String infile = "D:\\web.txt";
		String outfile = "D:\\web1.txt";
		try {
			//获取源文件和目标文件的输入输出流
			FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
			FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
			
			//获取输入输出通道
			FileChannel fcin = fin.getChannel();
			FileChannel fcout = fout.getChannel();
			
			//创建缓冲区
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
			
			while (true){
				//clear()方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据
				buffer.clear();
				//从输入通道中将数据读到缓冲区
				int r = fcin.read(buffer);
				//read方法返回读取的字节数，可能为0，如果通道已经达到流的末尾，则返回-1
				if (r == -1){
					break;
				}
				//flip()方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道。
				buffer.flip();
				//从输出通道中奖数据写入缓冲区
				fcout.write(buffer);
			}
		} catch (Exception e) {
			
			e.printStackTrace();
		}
		
	}
}

其中buffer的内部结构如下：

一个buffer主要由position、limit、capacity三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格：

Buffer常见的方法：

flip()：写模式转换成读模式

rewind()：将position重置为0，一般用于重复读。

clear()：清空buffer，准备再次写入(position变成0，limit变成capacity)。

compact()：将未读取的数据拷贝到buffer的头部位。

mark()、reset()：mark()可以标记一个位置，reset可以重置到该位置。

Buffer的常见类型：ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

Channel常见的类型：FileChannel、DatagramChannel(UDP)、SocketChannel(TCP)、ServerSocketChannel(TCP)

性能测试：

——场景1：copy一个370MB的文件

——场景2：三个线程同时拷贝，每个线程拷贝一个370MB的文件

5.nio.charset

字符编码解码：字节码本事只是一些数字，放到正确的上下文中被正确解析。向ByteBuffer中存放数据时需要考虑字符集的编码方式，读取ByteBuffer数据时涉及对字符集解码。

java.nio.charset提供了编码解码的一套解决方案。

以我们最常见的http为例，在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到相应的时候必须对相应进行正确的解码。

一下代码向百度发一次请求，并获取结果进行显示。例子演示到了charset的使用。

public class BaiduReader {

	//创建GBK字符集
	private Charset charset = Charset.forName("GBK");
	private SocketChannel channel;
	
	public void readHTMLContent(){
		try {
			
			InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80);
			//打开连接
			channel = SocketChannel.open(socketAddress);
			//发送请求，使用GBK编码
			channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
			//读取数据
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
			while (channel.read(buffer) != -1){
				//flip()方法在读缓冲区字节操作之前调用
				buffer.flip();
				//使用charset。decode()方法将字节转换为字符串
				System.out.println(charset.decode(buffer));
				//清空缓冲区
				buffer.clear();
			}
			
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally{
			if (channel != null){
				try {
					channel.close();
				} catch (Exception e2) {
					e2.printStackTrace();
				}
			}
		}
		
		
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		
		new BaiduReader().readHTMLContent();
	}
}

6.非阻塞IO

关于非阻塞IO将从为何阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心API几个方面来理解。

何为阻塞？

一个常见的网络IO通讯流程如下：

从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞：

在以上过程中若连接还没有到来，那么accept会阻塞，程序运行到这里不得不挂起，CPU转而执行其他线程。

在以上过程中若数据还没有准备好，read一样会阻塞。

阻塞式网络IO的特点：多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间。每个线程遇到外部未准备好的时候都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口，一天只会有几次请求进来，但是该CPU不得不为该线程不断做上下文切换尝试，大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞？

下面有个隐喻：

下面有个隐喻：
一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？
1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 )
2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )
很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。

由一个专门的线程来处理所有的IO事件，并负责分发。

事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。

线程通讯：线程之间通过wait、notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

以下是异步的IO的结构：