Chapter 15 . Java NIO
Chapter 15 . Java NIO
15.1 Java NIO 简介
Java NIO(New IO) 是从Java 1.4版本开始引入的
一个新的IO API,可以替代标准的Java IO API。
NIO与原来的IO有同样的作用和目的,但是使用
的方式完全不同, NIO支持面向缓冲区的、基于
通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文
件的读写操作。
Java NIO 与 IO 的主要区别
15.2 通道(Channel)与缓冲区(Buffer)
Java NIO系统的核心在于:通道(Channel)和缓冲区
(Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如:文件、
套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统,需要获取
用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲
区。然后操作缓冲区,对数据进行处理。
简而言之, Channel 负责传输, Buffer 负责存储
缓冲区(Buffer)
缓冲区(Buffer) :一个用于特定基本数据类
型的容器。由 java.nio 包定义的,所有缓冲区
都是 Buffer 抽象类的子类。
l Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行
交互,数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写
入通道中的。
Buffer 就像一个数组,可以保存多个相同类型的数据。根
据数据类型不同(boolean 除外) ,有以下 Buffer 常用子类:
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
上述 Buffer 类 他们都采用相似的方法进行管理数据,只是各自
管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer
对象:
static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为 capacity 的 XxxBuffer 对象
缓冲区的基本属性
Buffer 中的重要概念:
-
容量 (capacity) : 表示 Buffer 最大数据容量,缓冲区容量不能为负,并且创
建后不能更改。 -
限制 (limit): 第一个不应该读取或写入的数据的索引,即位于 limit 后的数据
不可读写。缓冲区的限制不能为负,并且不能大于其容量。 -
位置 (position): 下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为
负,并且不能大于其限制 -
标记 (mark)与重置 (reset): 标记是一个索引,通过 Buffer 中的 mark() 方法
指定 Buffer 中一个特定的 position,之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position.
标记、 位置、 限制、 容量遵守以下不变式:
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
image
Buffer 的常用方法
image缓冲区的数据操作
Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法:
get()与 put() 方法获取 Buffer 中的数据
get() :读取单个字节
get(byte[] dst):批量读取多个字节到 dst 中
get(int index):读取指定索引位置的字节(不会移动 position)放入数据到 Buffer 中
put(byte b):将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
put(byte[] src):将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
put(int index, byte b):将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)
直接与非直接缓冲区
image image image通道(Channel)
通道(Channel):由 java.nio.channels 包定义
的。 Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。
Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel
本身不能直接访问数据, Channel 只能与
Buffer 进行交互。
Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下:
• FileChannel:用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
• DatagramChannel:通过 UDP 读写网络中的数据通道。
• SocketChannel:通过 TCP 读写网络中的数据。
• ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接,对每一个新进来 的连接都会创建一个 SocketChannel
获取通道
获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用
getChannel() 方法。支持通道的类如下:
- FileInputStream
- FileOutputStream
- RandomAccessFile
- DatagramSocket
- Socket
- ServerSocket
获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获
取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。
通道的数据传输
image15.3 分散(Scatter)和聚集(Gather)
分散读取(Scattering Reads)是指从 Channel 中读取的数据“分
散” 到多个 Buffer 中。
注意:按照缓冲区的顺序,从 Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。
聚集写入(Gathering Writes)是指将多个 Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。
image注意:按照缓冲区的顺序,写入 position 和 limit 之间的数据到 Channel 。
transferFrom()
将数据从源通道传输到其他 Channel 中
imagetransferTo()
将数据从源通道传输到其他 Channel 中:
imageFileChannel 的常用方法
image15.4 NIO 的非阻塞式网络通信
阻塞与非阻塞
传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取或写入,该线程在此期间不 能执行其他任务。
因此,在完成网络通信进行 IO 操作时,由于线程会 阻塞,所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理, 当服务器端需要处理大量客户端时,性能急剧下降。
Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时,若没有数
据可用时,该线程可以进行其他任务。
线程通常将非阻塞 IO 的空闲时
间用于在其他通道上执行 IO 操作,所以单独的线程可以管理多个输入
和输出通道。因此, NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同
时处理连接到服务器端的所有客户端。
选择器(Selector)
选择器(Selector) 是 SelectableChannle 对象的多路复用器, Selector 可
以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况,也就是说,利用 Selector
可使一个单独的线程管理多个 Channel。 Selector 是非阻塞 IO 的核心
SelectableChannle 的结构如下图:
image选择器(Selector)的应用
image当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时,选择器
对通道的监听事件,需要通过第二个参数 ops 指定。
l 可以监听的事件类型(可使用 SelectionKey 的四个常量表示):
-
读 : SelectionKey.OP_READ (1)
-
写 : SelectionKey.OP_WRITE (4)
-
连接 : SelectionKey.OP_CONNECT (8)
-
接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT (16)
若注册时不止监听一个事件,则可以使用“位或”操作符连接。
例:
SelectionKey
当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时,选择器
对通道的监听事件,需要通过第二个参数 ops 指定。
可以监听的事件类型(可使用 SelectionKey 的四个常量表示):
-
读 : SelectionKey.OP_READ (1)
-
写 : SelectionKey.OP_WRITE (4)
-
连接 : SelectionKey.OP_CONNECT (8)
-
接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT (16)
若注册时不止监听一个事件,则可以使用“位或”操作符连接。
例:
SelectionKey: 表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向
选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。 选择键包含两个表示为整
数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操
作
Selector 的常用方法
image15.5 SocketChannel
Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网
络套接字的通道。
操作步骤:
-
打开 SocketChannel
-
读写数据
-
关闭 SocketChannel
Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以
监听新进来的TCP连接的通道,就像标准IO中
的ServerSocket一样。
DatagramChannel
Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发
UDP包的通道。
操作步骤:
-
打开 DatagramChannel
-
接收/发送数据
管道 (Pipe)
Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。
Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会
被写到sink通道,从source通道读取。
向管道写数据
image image15.6 Path、 Paths、 Files
随着 JDK 7 的发布, Java对NIO进行了极大的扩
展,增强了对文件处理和文件系统特性的支持,
以至于我们称他们为 NIO.2。因为 NIO 提供的
一些功能, NIO已经成为文件处理中越来越重
要的部分。
java.nio.file.Path 接口代表一个平台无关的平台路径,描述了目
录结构中文件的位置。
Paths 提供的 get() 方法用来获取 Path 对象:
Path get(String first, String … more) : 用于将多个字符串串连成路径。
Path 常用方法:
imageFiles 类
image image自动资源管理
Java 7 增加了一个新特性,该特性提供了另外
一种管理资源的方式,这种方式能自动关闭文
件。这个特性有时被称为自动资源管理
(Automatic Resource Management, ARM),
该特性以 try 语句的扩展版为基础。自动资源管理
主要用于,当不再需要文件(或其他资源)时,
可以防止无意中忘记释放它们