文章目录

  • 二 Java NIO
    • （一）NIO对比OIO
    • （二）概述三个核心组件
      • Channel通道
      • Selector选择器
      • Buffer缓冲区
    • （三）Buffer详解
      • 1 Buffer类
      • 2 四个属性
      • 3 重要方法
    • （四）Channel详解
      • 1 FileChannel文件通道
      • 2 SocketChannel套接字通道
      • 3 DatagramChannel数据报通道
    • （五）Selector选择器
      • 选择器使用流程：
        • 1、获取选择器示例
        • 2.将通道注册到选择器
          • 四种IO事件类型：
          • SelectableChannel可选择通道
          • validOps()
          • SelectionKey选择键
        • 3.选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）
          • Select()
          • Select(long timeout)
          • SelectNow()
          • selectedKeys()
        • 4.判断选择键IO就绪类型
        • 其他
          • selector的wakeup()
          • SelectionKey的interestOps(int)
      • 示例

博文所在专栏里有更多相关内容，如IO模型概述、Reactor反应器模式等，欢迎阅读与交流。
文字来源于读书笔记及个人心得，可能有引用其他博文，若引用了你的文字请联系我，我会加上来源，或者删除相关内容。

二 Java NIO

在1.4之前，Java IO类库是阻塞IO，从1.4开始，才引入了新的异步IO类库，即Java New IO，简称Java NIO。相对的，1.4之前称为Old IO，OIO。

（一）NIO对比OIO

NIO

OIO

面向缓冲区：只要从channel读取数据到buffer（读取），就可以读取buffer的任意位置。（写入：从buffer写到channel）

面向流：面向字节流或字符流，按顺序读取字节

非阻塞：内核缓冲区准备数据时，用户read操作都不会阻塞用户线程

阻塞：整个IO过程都会阻塞用户线程

有选择器概念：基于底层操作系统的选择器的系统调用，系统开销更小，因为不必为每个网络连接创建线程

无选择器概念

（二）概述三个核心组件

Channel通道

在Java NIO中，同一个网络连接（文件描述符）用一个通道表示，所有Java NIO的IO操作都从通道开始，即可从通道读取，也可向通道写入。

对比OIO，同个网络连接需要关联输入流和输出流共两个流。

Selector选择器

用于NIO通道的注册，以及查询就绪状态的IO事件。一个选择器可监控/管理多个通道，比起OIO系统开销更小，因为不必为每个网络连接创建线程。

Buffer缓冲区

本质是一个内存块（数组），用于应用程序和通道的交互，如通道的读取：将数据从通道读取到缓冲区；通道的写入：将数据从缓冲区写入到通道。

（三）Buffer详解

1 Buffer类

Buffer类是个抽象类，有8个子类：ByteBuffer、ShortBuffer、CharBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer、MappedByteBuffer，前7种覆盖了所有能在IO传输的Java基本数据类型，MappedByteBuffer专门用于内存映射。

2 四个属性

（1）capacity：容量，buffer内部byte[]数据内存块的容量，该容量不是该数组可写入的字节容量，而是可写入的对象数量，如DoubleBuffer写入的对象时double类型，capacity为10时表示可写入10个double数据。

（2）position：位置，缓冲区中下一个要被读/写的元素的索引。不同模式的position最大值不同：

写模式（通道-缓冲区）：初始值0，最大可写值为limit-1，position=limit表示缓冲区已无位置可写；

读模式：初始值0，最大可读值为limit-1，position=limit表示缓冲区已无可读数（我看的书说的是，“读模式下最大可读值是limit“，但position=limit时已经没有数据可读了，所以我认为正确的说法是，读模式limit最大可取值是limit，但最大可读值是limit-1）

（3）limit：上限，缓冲区中当前的数据量

（4）mark：用于临时存储当前position

3 重要方法

（1）allocate()创建缓冲区：

IntBuffer ib=IntBuffer.allocate(5);
System.out.println("position:"+ib.position());
System.out.println("limit:"+ib.limit());
System.out.println("capacity:"+ib.capacity());
System.out.println("------");

缓冲区初创建时为写入模式。

（2）put()写入到缓冲区：

for(int i=0;i<5;i++){ib.put(i);
}

（3）flip()切换写模式为读模式：

设置limit为当前position、重置position为0、清除之前的mark标记

ib.flip();

（4）get()从缓冲区获取：

System.out.println(ib.get());

如果position=limit，即缓冲区数据读完了，此时若想进行写入，需调用clear()或compact()

（5）rewind()倒带重读：

重置position为0、清除之前的mark标记——与flip只差了对limit的处理，rewind不修改limit

ib.rewind();
System.out.println("-----after rewind-----");
System.out.println("position:"+ib.position());
System.out.println("limit:"+ib.limit());
System.out.println("capacity:"+ib.capacity());

（6）mark()和reset()

mark()表示暂存当前position值至mark属性，reset()将mark值恢复到position。

for(int i=0;ib.position()<ib.limit();i++){if(i==2) {ib.mark();System.out.println("mark");}if(i==4) {ib.reset();System.out.println("reset");}System.out.println(ib.get());System.out.println("position:"+ib.position());System.out.println("limit:"+ib.limit());System.out.println("capacity:"+ib.capacity());System.out.println("------");
}

（7）clear()清空缓冲区/compact()压缩缓冲区

在缓冲区处于读模式时调用clear或compact，缓冲区会切换为写模式，不同在于clear会重置position为0，而compact会将所有未读元素复制到缓冲区起始处，并将position设置为未读元素的后一位，如有一个维度元素，则compact后position为1。

（四）Channel详解

Java NIO中一个连接就是一个channel，也就是一个文件描述符。而对于不同的网络传输协议类型在java中有不同的NIO channel实现。这里着重聚焦于以下四种：

  • FileChannel文件通道：用于文件的数据读写
  • SocketChannel套接字通道：用于Socket套接字TCP连接
  • ServerSocketChannel服务器嵌套字通道（或服务器监听通道）：允许我们监听TCP请求并为监听到的请求创建一个SocketChannel套接字通道
  • DatagramChannel数据报通道：用于UDP协议的数据读写

1 FileChannel文件通道

用于从文件读取数据或者向文件写入数据。只有阻塞模式，无法设置为非阻塞

（1）获取FileChannel通道：通过文件流获取，或通过文件随机访问类获取。文件流、文件随机访问类、通道，都需要手动关闭

RandomAccessFile infile=new RandomAccessFile("C:\Desktop\消息累加器.png","rw");
FileChannel inChannel=infile.getChannel();
RandomAccessFile outfile=new RandomAccessFile("C:\Desktop\消息累加器-copy.png","rw");
FileChannel outChannel=outfile.getChannel();

（2）read(buf)读取通道（对通道来说是读取，对缓冲区来说是写入）

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
int i=-1;
while((i=inChannel.read(buffer))!=-1){//......
}

（3）write(buf)写入通道（对缓冲区来说是读取，需要切换为读模式）

while((i=inChannel.read(buffer))!=-1){//第一次切换：翻转buf，切换为读模式buffer.flip();int outLength=0;//将buf写入到输出通道while((outLength= outChannel.write(buffer))!=0);//第二次切换：清除buf，切换为写模式buffer.clear();
}

（4）force()强制刷新到磁盘

在调用该方法之前，出于性能原因，操作系统可能会将数据缓存在内存中，而该方法能将所有未写入的数据从通道刷新到磁盘中。

outChannel.force(true);

（5）close关闭通道

channel.close();

（6）使用FileChannel完成文件复制的实例

public void FileChannelTest(){FileInputStream fis=null;FileChannel inChannel=null;FileOutputStream fos=null;FileChannel outChannel=null;try {fis=new FileInputStream("C:\Users\Simon\Desktop\消息累加器.png");inChannel=fis.getChannel();fos=new FileOutputStream("C:\Users\Simon\Desktop\消息累加器-copy.png");outChannel=fos.getChannel();ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);int i=-1;while((i=inChannel.read(buffer))!=-1){//第一次切换：翻转buf，切换为读模式buffer.flip();int outLength=0;//将buf写入到输出通道while((outLength= outChannel.write(buffer))!=0);//第二次切换：清除buf，切换为写模式buffer.clear();}//强制刷新到磁盘outChannel.force(true);} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}finally{IOUtils.close(outChannel);IOUtils.close(fos);IOUtils.close(inChannel);IOUtils.close(fis);}
}

2 SocketChannel套接字通道

Java NIO中涉及网络连接的两个通道：

  • SocketChannel负责连接的数据传输，对应OIO的Socket类，应用于服务端和客户端
  • ServerSocketChannel负责连接的监听，对应OIO的ServerSocket类，应用于服务端

这两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式，调用configureBlocking(false)设置为非阻塞模式，传参true设置为阻塞模式。

示例

//该示例为运行过
@Test
public void socketChannelTest(){try {//1.获得套接字传输通道SocketChannel socketChannel=SocketChannel.open();//设置为非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);//连接目标服务端的ip和端口socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",80));//不停自旋，直到连接真正建立起来while (!socketChannel.finishConnect()){}//2.从套接字通道读取数据（需通道可读才行，通过Selector选择器判断是否可读）ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//read方法是异步的。返回读取到的字节数，若返回-1表示对方已输出结束int bytesRead=socketChannel.read(byteBuffer);//3.写入套接字通道//写入通道需读取缓冲区，因此现将缓冲区置为读模式byteBuffer.flip();socketChannel.write(byteBuffer);//4.关闭套接字通道//如果当前套接字通道是用来写入数据给对方服务器的，建议调用以下方法终止输出，向对方发送一个输出结束标志（-1）socketChannel.shutdownOutput();//调用close()关闭连接IOUtils.close(socketChannel);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

3 DatagramChannel数据报通道

用于处理UDP的数据传输，使用UDP时，只需要知道服务器的IP和端口就可以传输数据

//未运行过
public void datagramChannelTest(){try {//1.获取数据报通道DatagramChannel channel=DatagramChannel.open();//设置为非阻塞模式channel.configureBlocking(false);//如果要接收数据，需绑定一个数据报监听接口channel.bind(new InetSocketAddress(18080));//2.从数据报中读取数据，通过Selector判断通道是否可读//创建缓冲区ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//从数据报通道读入，并写入缓冲区，返回数据发送端的连接地址（包括IP和端口）SocketAddress clientAddr=channel.receive(byteBuffer);//3.写入数据报通道byteBuffer.flip();channel.send(byteBuffer,new InetSocketAddress("127.0.0.1",18899));byteBuffer.clear();//4.关闭数据报通道IOUtils.close(channel);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

（五）Selector选择器

简单说，选择器的使命是完成IO多路复用。

一般一个单线程处理一个选择器，一个选择器可监控多个通道的IO状况。

只有继承了抽象类SelectableChannel才能被选择/监控，例如FileChannel就不行。

选择器使用流程：

1、获取选择器示例

Selector selector=Selector.open();

2.将通道注册到选择器

channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT|SelectionKey.OP_WRITE)

通道对象调用register方法完成在选择器上的注册，其中参数一是选择器对象，参数二是监听的IO事件类型（状态）。

监控同个通道的多个事件，使用“按位或”运算符“|”。

注册到选择器的通道必须是非阻塞模式，否则会抛出异常

四种IO事件类型：
  • SelectionKey.OP_ACCEPT：接收就绪，某个Channel成功连接到另一个服务器
  • SelectionKey.OP_CONNECT：连接就绪，某个ServerSocketChannel准备好接收新进入的连接
  • SelectionKey.OP_READ，读就绪，一个有数据可读的通道
  • SelectionKey.OP_WRITE：写就绪，等待写数据的通道
SelectableChannel可选择通道

只有继承了SelectableChannel抽象类的通道才能被选择器监控/选择

validOps()

一个通道不一定支持全部四种IO事件，

如ServerSocketChannel只支持OP_ACCEPT，而SocketChannel不支持OP_ACCEPT，

可通过channel.validOps()获取该通道支持的IO事件集合

SelectionKey选择键

即被选择器选中的指定状态下的通道。

3.选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）

Select()

选择器的Select()方法可选出已注册且已就绪的IO事件，存储到selectedKeys中，并返回被选中的通道的数量（通道数，不是事件数，准确说是上次select到这次select之间发生了就绪IO事件的通道数）。该方法为阻塞调用，会阻塞直到有已注册且已就绪的事件。

Select(long timeout)

与Select()类似，但指定了最长阻塞时间（毫秒数）

SelectNow()

与Select()类似，但非阻塞，不管有无就绪IO事件都立即返回

selectedKeys()

返回已注册且已就绪的选择键集合。

每个Selector内部都有两个SelectionKey集合（Set），一个是keys，存储该选择器的所有选择键，一个是selectedKeys，存储该选择器已注册且已就绪的选择键，通过选择键可以获得通道、通道的事件类型、选出该通道的选择键实例等。

这两个SelectionKey集合都是线程不安全的，都不可以直接手动添加元素进去，selectedKeys可以执行remove操作，keys不行。

4.判断选择键IO就绪类型

key.isAcceptable()、key.isConnectable()、key.isReadable()、key.isWritable()

其他

selector的wakeup()

用于唤醒阻塞的select()方法。

其他线程如果因为调用了selector.select()或者selector.select(long)这两个方法而阻塞，调用了selector.wakeup()之后，就会立即返回结果，并且返回的值!=0；
如果当前Selector没有阻塞在select方法上，那么本次 wakeup调用会在下一次select阻塞的时候生效。

SelectionKey的interestOps(int)

修改指定选择键的监听IO事件类型

示例

public void selectorTest(){try {//创建一个监听通道ServerSocketChannel channel=ServerSocketChannel.open();channel.configureBlocking(false);channel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8091));//1.获取选择器实例Selector selector=Selector.open();//2.将通道注册到选择器//注册到选择器的通道必须是非阻塞模式，否则会抛出异常//一个通道不一定支持全部四种IO事件，如ServerSocketChannel只支持OP_ACCEPT，而SocketChannel不支持OP_ACCEPT//可通过channel.validOps()获取该通道支持的IO事件集合//监控同个通道的多个事件，使用“按位或”运算符“|”，如register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT|SelectionKey.OP_WRITE)channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);//3.选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）while(selector.select()>0){//选择器集合不可添加元素，否则会报错Set<SelectionKey> selectionKeys=selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator=selectionKeys.iterator();while(keyIterator.hasNext()){SelectionKey key=keyIterator.next();//根据具体的IO事件类型，执行对应的业务操作if(key.isAcceptable()){//IO事件：ServerSocketChannel服务器监听通道有新连接//获取这个新连接（通道）SocketChannel socketChannel=channel.accept();socketChannel.configureBlocking(false);//若该通道为数据输入通道，可使用可读事件注册到选择器socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);}else if(key.isConnectable()){//IO事件：传输通道连接成功}else if(key.isReadable()){//IO事件：传输通道可读//获取这个新连接（通道）SocketChannel socketChannel= (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);int length=0;while((length=socketChannel.read(byteBuffer))>0){byteBuffer.flip();System.out.println(new String(byteBuffer.array(),0,length));byteBuffer.clear();}socketChannel.close();}else if(key.isWritable()){//IO事件：传输通道可写}//处理完成后，移除选择键，以免被下次循环重复处理keyIterator.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
}

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