NIO和IO(转)

2022-08-25 13:19:35

java NIO由以下几个核心部分组成:

Channels(通道)
Buffers(缓冲区)
Selectors(选择器)
其他

Channel和Buffer:

所有的IO再NIO中都从一个Channel开始.Channel有点像流,数据可以从Channel读到Buffer中,也可以从Buffer写到Channel中:

Channel的主要实现如下:

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

这些通道覆盖了UDP和TCP网络IO

Buffer的实现:

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
intBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

这些Buffer覆盖了通过IO发送的基本数据类型(JAVA NIO还有个MappedByteBuffer,表示内存映射文件)

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),每个连接的流量都很低,使用selector就会很方便,如:在一个聊天服务器中.如下图,一个selector处理3个Channel的问题

使用selector,得向selector注册Channel,然后调用它的select(),这个方法会一直阻塞到某个注册的通道事件就绪.一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子就是新连接进来,数据接收等.

Java NIO vs. IO

我应该何时使用IO，何时使用NIO呢？在本文中，我会尽量清晰地解析Java NIO和IO的差异、它们的使用场景，以及它们如何影响您的代码设计。

下表总结了java NIO和IO之间的主要差别,我会更详细的描述表中每部分的差异.

IO	NIO
Stream oriented	Buffer Oriented
Blocking IO	Non Blocking IO
	Selectors

面向流和面向缓冲

Java NIO和IO之间最大的区别是: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,他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,如果徐亚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,需要确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里面尚未处理的数据.

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()或者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.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,就什么都不会获取.而不是保持线程阻塞,所有直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他事情,非阻塞写也是如此,一个线程请求希尔一些数据到通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事,线程同城将非阻塞IO的空闲时间用于在其他通道执行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.

选择器（Selectors）

选择器允许一个单独的线程来监听多个输入通道,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,使一个单独的线程很容易管理多个通道.

NIO和IO如何影响应用程序的设计

对NIO或IO类API的调用(IO从一个InputStream逐字读取,NIO是数据必须先读入缓冲区再处理)
数据处理
用来处理数据的线程数

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：

Name: Anna

Age: 25

Email: anna@mailserver.com

Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：

Java代码

InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket

BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));  

String nameLine   = reader.readLine();

String ageLine    = reader.readLine();

String emailLine  = reader.readLine();

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：

从一个阻塞的流中读数据

而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

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：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

    int bytesRead = inChannel.read(buffer);

    while(! bufferFull(bytesRead) ) {

    bytesRead = inChannel.read(buffer);

}

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”：

从一个通道里读数据，直到所有的数据都读到缓冲区里

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：

单线程管理多个连接

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：

一个典型的IO服务器设计：一个连接通过一个线程处理

Channel(通道)

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：

既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
通道可以异步地读写。
通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

正如上面所说，从通道读取数据到缓冲区，从缓冲区写入数据到通道。如下图所示：

Channel的实现

这些是Java NIO中最重要的通道的实现：

FileChannel：从文件中读写数据。
DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据。
SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据。
ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

基本的 Channel 示例

下面是一个使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例：

    RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");

    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  

    int bytesRead = inChannel.read(buf);

    while (bytesRead != -1) {  

    System.out.println("Read " + bytesRead);

    buf.flip();  

    while(buf.hasRemaining()){

    System.out.print((char) buf.get());

    }  

    buf.clear();

    bytesRead = inChannel.read(buf);

    }

    aFile.close();

注意 buf.flip() 的调用，首先读取数据到Buffer，然后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据。下一节会深入讲解Buffer的更多细节。

Buffer(缓存区)

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

写入数据到Buffer
调用flip()方法
从Buffer中读取数据
调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。 clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

下面是一个使用Buffer的例子：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");

FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  //make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){

      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time

  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing

  bytesRead = inChannel.read(buf);

}

aFile.close();

Buffer的capacity,position和limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

capacity
position
limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明，详细的解释在插图后面。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer 后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

p<>
如你所见，这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说，就是可以通过char，short，int，long，float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

MappedByteBuffer 有些特别，在涉及它的专门章节中再讲。

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

`1`	`ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);`

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

`1`	`CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);`

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

从Channel写到Buffer。
通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

`1`	`int` `bytesRead = inChannel.read(buf);` `//read into buffer.`

通过put方法写Buffer的例子：

`1`	`buf.put(127);`

put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

换句话说，position现在用于标记读的位置，limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

从Buffer读取数据到Channel。
使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：

`1`	`//read from buffer into channel.`

`2`	`int` `bytesWritten = inChannel.write(buf);`

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

`1`	`byte` `aByte = buf.get();`

get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如：

`1`	`buffer.mark();`

2

`3`	`//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.`

4

`5`	`buffer.reset();` `//set position back to mark.`

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

有相同的类型（byte、char、int等）。
Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)，如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素。
所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

（译注：剩余元素是从 position到limit之间的元素）

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