java Nio

2019-01-18 本文已影响22人昨日已逝去

NIO编程

网络IO的介绍
nio的概述
通道、
缓冲区、
选择器

网络IO

讲网络IO前，我们先对同步、异步、阻塞、非阻塞

同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)。所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。而异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

典型的异步编程模型比如Node.js

举个通俗的例子：你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，"我查一下"，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下啊，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过"回电"这种方式来回调。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

还是上面的例子，你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己"挂起"，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了，当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

网络IO分为五大模型

blocking IO - 阻塞IO
nonblocking IO - 非阻塞IO
IO multiplexing - IO多路复用
signal driven IO - 信号驱动IO
asynchronous IO - 异步IO

nio的概述

nio是jdk1.4提出的新特性，nio全名为non-blocking IO(非阻塞IO)
Java NIO 由以下几个核心部分组成：

Channels
Buffers
Selectors
TCP用主机的IP地址加上主机上的端口号作为TCP连接的端点，这种端点就叫做套接字（socket）或插口。套接字用（IP地址：端口号）表示。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必需的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

出自《UNIX网络编程》，I/O模型一共有阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用(select/poll/epoll)，信号驱动式I/O和异步I/O。这篇文章讲的是I/O复用。

通道

通道：类似于流，但是可以异步读写数据（流只能同步读写），通道是双向的，（流是单向的），通道的数据总是要先读到一个buffer 或者从一个buffer写入，即通道与buffer进行数据交互。这样的优点就是我们可以在读取的时候回退，对数据的操作更加灵活。

image.png

通道类型：

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。
FileChannel比较特殊，它可以与通道进行数据交互，不能切换到非阻塞模式，套接字通道可以切换到非阻塞模式；

缓冲区

缓冲区 - 本质上是一块可以存储数据的内存，被封装成了buffer对象而已！

1、缓冲区类型：

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

2、常用方法：

allocate() - 分配一块缓冲区
put() - 向缓冲区写数据
get() - 向缓冲区读数据
filp() - 将缓冲区从写模式切换到读模式
clear() - 从读模式切换到写模式，不会清空数据，但后续写数据会覆盖原来的数据，即使有部分数据没有读，也会被遗忘；
compact() - 从读数据切换到写模式，数据不会被清空，会将所有未读的数据copy到缓冲区头部，后续写数据不会覆盖，而是在这些数据之后写数据
mark() - 对position做出标记，配合reset使用
reset() - 将position置为标记值

3、缓冲区的一些属性：

capacity - 缓冲区大小，无论是读模式还是写模式，此属性值不会变；
position - 写数据时，position表示当前写的位置，每写一个数据，会向下移动一个数据单元，初始为0；最大为capacity - 1，切换到读模式时，position会被置为0，表示当前读的位置
limit - 写模式下，limit 相当于capacity 表示最多可以写多少数据，切换到读模式时，limit 等于原先的position，表示最多可以读多少数据。

选择器

选择器：相当于一个观察者，用来监听通道感兴趣的事件，一个选择器可以绑定多个通道。

image.png

通道向选择器注册时，需要指定感兴趣的事件，选择器支持以下事件：
SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE　　
如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：
int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

nio读取文件

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();

nio的简单使用

项目地址

服务端

 /*
         *启动服务器端，配置为非阻塞，绑定端口，注册accept事件
         *ACCEPT事件：当服务端收到客户端连接请求时，触发该事件
         */
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));

        selector = Selector.open();
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

客户端

  try {
            /*
             * 客户端向服务器端发起建立连接请求
             */
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
            selector = Selector.open();
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
            socketChannel.connect(SERVER);
            /*
             * 轮询监听客户端上注册事件的发生
             */
            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> keySet = selector.selectedKeys();
                for(final SelectionKey key : keySet){
                    handle(key);
                }
                keySet.clear();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }