NIO介绍

2024-01-02 17:48:10

一、NIO介绍

1、定义
NIO（Non-blocking I/O ，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。

2、概叙

  • NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道；
  • NIO和传统IO（一下简称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；
  • IO的各种流是阻塞的，NIO的非阻塞模式；

3、优点

  • ①通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
  • ②Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
  • ③Selector 多路复用器 单线程模型， 线程的资源开销相对比较小。

二、channel（通道）

Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）；

三、Buffer（缓冲区）

1、介绍

  • ①Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。
  • ②IO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。
  • ③当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等；
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2、Buffer属性
①概叙：

  • 为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和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。

②属性

  • capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续写数据。
  • 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，当写入一个字节数据到Buffer中后，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，将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，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）；

3、操作

  • 分配一个指定字节大小的对象（非直接缓冲区）：ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  • 分配一个指定字节大小的对象 （直接缓冲区）: ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect (1024);
  • 从Channel写到Buffer： channel.read(buf);
  • 从Buffer读取数据到Channel：channel.write(buf);
  • 通过Buffer的put()方法写到Buffer： buf.put(byte);
  • 通过Buffer的get()方法读取数据：byte bt = buf.get(); //读取一个byte；

4、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设置为0，并将limit设置为之前的position的值；
  • rewind()方法：Buffer.rewind()方法将position设置为0，使得可以重读Buffer中的所有数据，limit保持不变；
  • 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()方法完成。如果调用的是clear()方法，position将被设置为0，limit设置为capacity的值。但是Buffer并未被清空，只是通过这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer中写入多少数据。如果Buffer中还有一些未读的数据，调用clear()方法将被"遗忘
    "。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设置到最后一个未读元素的后面，limit属性依然设置为capacity。可以使得Buffer中的未读数据还可以在后续中被使用。
  • mark()与reset()方法：通过调用Buffer.mark()方法可以标记一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()恢复到这个position上。

四、Selector(多路复用器)

1、概叙

  • Selector 一般称 为选择器 ，当然你也可以翻译为 多路复用器 。它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接。
  • 使用Selector的好处在于： 使用更少的线程来就可以来处理通道了， 相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销。

2、Selector（选择器）的使用方法介绍
①Selector的创建
通过调用Selector.open()方法创建一个Selector对象，如下：Selector selector = Selector.open();
② 注册Channel到Selector
channel.configureBlocking(false); 切换到异步非阻塞
SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ);

Channel必须是非阻塞的。
所以FileChannel不适用Selector，因为FileChannel不能切换为非阻塞模式，更准确的来说是因为FileChannel没有继承SelectableChannel。Socket
channel可以正常使用。 SelectableChannel抽象类 有一个 configureBlocking（）
方法用于使通道处于阻塞模式或非阻塞模式。

register() 方法的第二个参数。这是一个“ interest集合 ”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

  • Connect：SelectionKey常量表示为SelectionKey.OP_CONNECT
  • Accept：SelectionKey常量表示为SelectionKey.OP_ACCEPT
  • Read：SelectionKey常量表示为SelectionKey.OP_READ
  • Write ：SelectionKey常量表示为SelectionKey.OP_WRITE

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。比如某个Channel成功连接到另一个服务器称为“ 连接就绪 ”。一个Server Socket Channel准备好接收新进入的连接称为“ 接收就绪 ”。一个有数据可读的通道可以说是“ 读就绪 ”。等待写数据的通道可以说是“ 写就绪 ”。

③SelectionKey介绍
一个SelectionKey键表示了一个特定的通道对象和一个特定的选择器对象之间的注册关系。

key.attachment(); //返回SelectionKey的attachment，attachment可以在注册channel的时候指定。
key.channel(); // 返回该SelectionKey对应的channel。
key.selector(); // 返回该SelectionKey对应的Selector。
key.interestOps(); //返回代表需要Selector监控的IO操作的bit mask
key.readyOps(); // 返回一个bit mask，代表在相应channel上可以进行的IO操作。
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