攻破JAVA NIO技術(shù)壁壘

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原文出處： 朱小廝
現(xiàn)在使用NIO的場(chǎng)景越來越多，很多網(wǎng)上的技術(shù)框架或多或少的使用NIO技術(shù)，譬如Tomcat，Jetty。學(xué)習(xí)和掌握NIO技術(shù)已經(jīng)不是一個(gè)JAVA攻城獅的加分技能，而是一個(gè)必備技能。再者，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的面試中上點(diǎn)level的都會(huì)涉及一下NIO或者AIO的問題（AIO下次再講述，本篇主要講述NIO）,掌握好NIO也能幫助你獲得一份較好的offer。 驅(qū)使博主寫這篇文章的關(guān)鍵是網(wǎng)上關(guān)于NIO的文章并不是很多，而且案例較少，針對(duì)這個(gè)特性，本文主要通過實(shí)際案例主要講述NIO的用法，每個(gè)案例都經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)。博主通過自己的理解以及一些案例希望能給各位在學(xué)習(xí)NIO之時(shí)多一份參考。博主能力有限，文中有不足之處歡迎指出。

本文持續(xù)更新，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留原文鏈接。

概述

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩沖區(qū)), Selector。傳統(tǒng)IO基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作，而NIO基于Channel和Buffer(緩沖區(qū))進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。Selector(選擇區(qū))用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個(gè)線程可以監(jiān)聽多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

NIO和傳統(tǒng)IO（一下簡(jiǎn)稱IO）之間第一個(gè)最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動(dòng)流中的數(shù)據(jù)。如果需要前后移動(dòng)從流中讀取的數(shù)據(jù)，需要先將它緩存到一個(gè)緩沖區(qū)。NIO的緩沖導(dǎo)向方法略有不同。數(shù)據(jù)讀取到一個(gè)它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時(shí)可在緩沖區(qū)中前后移動(dòng)。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含所有您需要處理的數(shù)據(jù)。而且，需確保當(dāng)更多的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時(shí)，不要覆蓋緩沖區(qū)里尚未處理的數(shù)據(jù)。

IO的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用read() 或 write()時(shí)，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一個(gè)線程從某通道發(fā)送請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時(shí)，就什么都不會(huì)獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。一個(gè)線程請(qǐng)求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個(gè)線程同時(shí)可以去做別的事情。 線程通常將非阻塞IO的空閑時(shí)間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個(gè)單獨(dú)的線程現(xiàn)在可以管理多個(gè)輸入和輸出通道（channel）。

Channel

首先說一下Channel，國(guó)內(nèi)大多翻譯成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一個(gè)等級(jí)的。只不過Stream是單向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是雙向的，既可以用來進(jìn)行讀操作，又可以用來進(jìn)行寫操作。
NIO中的Channel的主要實(shí)現(xiàn)有：

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

這里看名字就可以猜出個(gè)所以然來：分別可以對(duì)應(yīng)文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是圍繞這4個(gè)類型的Channel進(jìn)行陳述的。

Buffer

NIO中的關(guān)鍵Buffer實(shí)現(xiàn)有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分別對(duì)應(yīng)基本數(shù)據(jù)類型: byte, char, double, float, int, long, short。當(dāng)然NIO中還有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等這里先不進(jìn)行陳述。

Selector

Selector運(yùn)行單線程處理多個(gè)Channel，如果你的應(yīng)用打開了多個(gè)通道，但每個(gè)連接的流量都很低，使用Selector就會(huì)很方便。例如在一個(gè)聊天服務(wù)器中。要使用Selector, 得向Selector注冊(cè)Channel，然后調(diào)用它的select()方法。這個(gè)方法會(huì)一直阻塞到某個(gè)注冊(cè)的通道有事件就緒。一旦這個(gè)方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新的連接進(jìn)來、數(shù)據(jù)接收等。

FileChannel

看完上面的陳述，對(duì)于第一次接觸NIO的同學(xué)來說云里霧里，只說了一些概念，也沒記住什么，更別說怎么用了。這里開始通過傳統(tǒng)IO以及更改后的NIO來做對(duì)比，以更形象的突出NIO的用法，進(jìn)而使你對(duì)NIO有一點(diǎn)點(diǎn)的了解。

傳統(tǒng)IO vs NIO

首先，案例1是采用FileInputStream讀取文件內(nèi)容的：
public static void method2(){
InputStream in = null;
try{
in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt"));

       byte [] buf = new byte[1024];
       int bytesRead = in.read(buf);
       while(bytesRead != -1)
       {
           for(int i=0;i<bytesRead;i++)
               System.out.print((char)buf[i]);
           bytesRead = in.read(buf);
       }
   }catch (IOException e)
   {
       e.printStackTrace();
   }finally{
       try{
           if(in != null){
               in.close();
           }
       }catch (IOException e){
           e.printStackTrace();
       }
   }

}
輸出結(jié)果：（略）

案例是對(duì)應(yīng)的NIO（這里通過RandomAccessFile進(jìn)行操作，當(dāng)然也可以通過FileInputStream.getChannel()進(jìn)行操作）：

public static void method1(){
        RandomAccessFile aFile = null;
        try{
            aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw");
            FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
 
            int bytesRead = fileChannel.read(buf);
            System.out.println(bytesRead);
 
            while(bytesRead != -1)
            {
                buf.flip();
                while(buf.hasRemaining())
                {
                    System.out.print((char)buf.get());
                }
 
                buf.compact();
                bytesRead = fileChannel.read(buf);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(aFile != null){
                    aFile.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

輸出結(jié)果：（略）

通過仔細(xì)對(duì)比案例1和案例2，應(yīng)該能看出個(gè)大概，最起碼能發(fā)現(xiàn)NIO的實(shí)現(xiàn)方式比叫復(fù)雜。有了一個(gè)大概的印象可以進(jìn)入下一步了。

Buffer的使用

從案例2中可以總結(jié)出使用Buffer一般遵循下面幾個(gè)步驟：

  • 分配空間（ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 還有一種allocateDirector后面再陳述）
  • 寫入數(shù)據(jù)到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
  • 調(diào)用filp()方法（ buf.flip();）
  • 從Buffer中讀取數(shù)據(jù)（System.out.print((char)buf.get());）
  • 調(diào)用clear()方法或者compact()方法

Buffer顧名思義：緩沖區(qū)，實(shí)際上是一個(gè)容器，一個(gè)連續(xù)數(shù)組。Channel提供從文件、網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀寫的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過Buffer。如下圖：
[圖片上傳失敗...(image-932be4-1545185475985)]

向Buffer中寫數(shù)據(jù)：

  • 從Channel寫到Buffer (fileChannel.read(buf))
  • 通過Buffer的put()方法 （buf.put(…)）

從Buffer中讀取數(shù)據(jù)：

  • 從Buffer讀取到Channel (channel.write(buf))
  • 使用get()方法從Buffer中讀取數(shù)據(jù) （buf.get()）

可以把Buffer簡(jiǎn)單地理解為一組基本數(shù)據(jù)類型的元素列表，它通過幾個(gè)變量來保存這個(gè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前位置狀態(tài)：capacity, position, limit, mark：

索引 說明
capacity 緩沖區(qū)數(shù)組的總長(zhǎng)度
position 下一個(gè)要操作的數(shù)據(jù)元素的位置
limit 緩沖區(qū)數(shù)組中不可操作的下一個(gè)元素的位置：limit<=capacity
mark 用于記錄當(dāng)前position的前一個(gè)位置或者默認(rèn)是0
image.png

無圖無真相，舉例：我們通過ByteBuffer.allocate(11)方法創(chuàng)建了一個(gè)11個(gè)byte的數(shù)組的緩沖區(qū)，初始狀態(tài)如上圖，position的位置為0，capacity和limit默認(rèn)都是數(shù)組長(zhǎng)度。當(dāng)我們寫入5個(gè)字節(jié)時(shí)，變化如下圖：


image.png

這時(shí)我們需要將緩沖區(qū)中的5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入Channel的通信信道，所以我們調(diào)用ByteBuffer.flip()方法，變化如下圖所示(position設(shè)回0，并將limit設(shè)成之前的position的值)：


image.png

這時(shí)底層操作系統(tǒng)就可以從緩沖區(qū)中正確讀取這個(gè)5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)并發(fā)送出去了。在下一次寫數(shù)據(jù)之前我們?cè)僬{(diào)用clear()方法，緩沖區(qū)的索引位置又回到了初始位置。

調(diào)用clear()方法：position將被設(shè)回0，limit設(shè)置成capacity，換句話說，Buffer被清空了，其實(shí)Buffer中的數(shù)據(jù)并未被清楚，只是這些標(biāo)記告訴我們可以從哪里開始往Buffer里寫數(shù)據(jù)。如果Buffer中有一些未讀的數(shù)據(jù)，調(diào)用clear()方法，數(shù)據(jù)將“被遺忘”，意味著不再有任何標(biāo)記會(huì)告訴你哪些數(shù)據(jù)被讀過，哪些還沒有。如果Buffer中仍有未讀的數(shù)據(jù)，且后續(xù)還需要這些數(shù)據(jù)，但是此時(shí)想要先先寫些數(shù)據(jù)，那么使用compact()方法。compact()方法將所有未讀的數(shù)據(jù)拷貝到Buffer起始處。然后將position設(shè)到最后一個(gè)未讀元素正后面。limit屬性依然像clear()方法一樣，設(shè)置成capacity。現(xiàn)在Buffer準(zhǔn)備好寫數(shù)據(jù)了，但是不會(huì)覆蓋未讀的數(shù)據(jù)。

通過調(diào)用Buffer.mark()方法，可以標(biāo)記Buffer中的一個(gè)特定的position，之后可以通過調(diào)用Buffer.reset()方法恢復(fù)到這個(gè)position。Buffer.rewind()方法將position設(shè)回0，所以你可以重讀Buffer中的所有數(shù)據(jù)。limit保持不變，仍然表示能從Buffer中讀取多少個(gè)元素。

SocketChannel

說完了FileChannel和Buffer, 大家應(yīng)該對(duì)Buffer的用法比較了解了，這里使用SocketChannel來繼續(xù)探討NIO。NIO的強(qiáng)大功能部分來自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能會(huì)無限期地阻塞。例如，對(duì)accept()方法的調(diào)用可能會(huì)因?yàn)榈却粋€(gè)客戶端連接而阻塞；對(duì)read()方法的調(diào)用可能會(huì)因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)可讀而阻塞，直到連接的另一端傳來新的數(shù)據(jù)。總的來說，創(chuàng)建/接收連接或讀寫數(shù)據(jù)等I/O調(diào)用，都可能無限期地阻塞等待，直到底層的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)發(fā)生了什么。慢速的，有損耗的網(wǎng)絡(luò)，或僅僅是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)故障都可能導(dǎo)致任意時(shí)間的延遲。然而不幸的是，在調(diào)用一個(gè)方法之前無法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一個(gè)重要特征就是可以通過配置它的阻塞行為，以實(shí)現(xiàn)非阻塞式的信道。

channel.configureBlocking(``false``)

在非阻塞式信道上調(diào)用一個(gè)方法總是會(huì)立即返回。這種調(diào)用的返回值指示了所請(qǐng)求的操作完成的程度。例如，在一個(gè)非阻塞式ServerSocketChannel上調(diào)用accept()方法，如果有連接請(qǐng)求來了，則返回客戶端SocketChannel，否則返回null。

這里先舉一個(gè)TCP應(yīng)用案例，客戶端采用NIO實(shí)現(xiàn)，而服務(wù)端依舊使用IO實(shí)現(xiàn)。
客戶端代碼（案例3）：

public static void client(){
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        try
        {
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));
 
            if(socketChannel.finishConnect())
            {
                int i=0;
                while(true)
                {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while(buffer.hasRemaining()){
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }
        }
        catch (IOException | InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(socketChannel!=null){
                    socketChannel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

服務(wù)端代碼（案例4）：

public static void server(){
       ServerSocket serverSocket = null;
       InputStream in = null;
       try
       {
           serverSocket = new ServerSocket(8080);
           int recvMsgSize = 0;
           byte[] recvBuf = new byte[1024];
           while(true){
               Socket clntSocket = serverSocket.accept();
               SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();
               System.out.println("Handling client at "+clientAddress);
               in = clntSocket.getInputStream();
               while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){
                   byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                   System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
                   System.out.println(new String(temp));
               }
           }
       }
       catch (IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       finally{
           try{
               if(serverSocket!=null){
                   serverSocket.close();
               }
               if(in!=null){
                   in.close();
               }
           }catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }

輸出結(jié)果：（略）

根據(jù)案例分析，總結(jié)一下SocketChannel的用法。
打開SocketChannel：

socketChannel = SocketChannel.open();
          socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

關(guān)閉：

serverSocket.close();

讀取數(shù)據(jù)：

String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                 buffer.clear();
                 buffer.put(info.getBytes());
                 buffer.flip();
                 while(buffer.hasRemaining()){
                     System.out.println(buffer);
                     socketChannel.write(buffer);
                 }

注意SocketChannel.write()方法的調(diào)用是在一個(gè)while循環(huán)中的。Write()方法無法保證能寫多少字節(jié)到SocketChannel。所以，我們重復(fù)調(diào)用write()直到Buffer沒有要寫的字節(jié)為止。
非阻塞模式下,read()方法在尚未讀取到任何數(shù)據(jù)時(shí)可能就返回了。所以需要關(guān)注它的int返回值，它會(huì)告訴你讀取了多少字節(jié)。

TCP服務(wù)端的NIO寫法

到目前為止，所舉的案例中都沒有涉及Selector。不要急，好東西要慢慢來。Selector類可以用于避免使用阻塞式客戶端中很浪費(fèi)資源的“忙等”方法。例如，考慮一個(gè)IM服務(wù)器。像QQ或者旺旺這樣的，可能有幾萬甚至幾千萬個(gè)客戶端同時(shí)連接到了服務(wù)器，但在任何時(shí)刻都只是非常少量的消息。

需要讀取和分發(fā)。這就需要一種方法阻塞等待，直到至少有一個(gè)信道可以進(jìn)行I/O操作，并指出是哪個(gè)信道。NIO的選擇器就實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。一個(gè)Selector實(shí)例可以同時(shí)檢查一組信道的I/O狀態(tài)。用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來說，選擇器就是一個(gè)多路開關(guān)選擇器，因?yàn)橐粋€(gè)選擇器能夠管理多個(gè)信道上的I/O操作。然而如果用傳統(tǒng)的方式來處理這么多客戶端，使用的方法是循環(huán)地一個(gè)一個(gè)地去檢查所有的客戶端是否有I/O操作，如果當(dāng)前客戶端有I/O操作，則可能把當(dāng)前客戶端扔給一個(gè)線程池去處理，如果沒有I/O操作則進(jìn)行下一個(gè)輪詢，當(dāng)所有的客戶端都輪詢過了又接著從頭開始輪詢；這種方法是非常笨而且也非常浪費(fèi)資源，因?yàn)榇蟛糠挚蛻舳耸菦]有I/O操作，我們也要去檢查；而Selector就不一樣了，它在內(nèi)部可以同時(shí)管理多個(gè)I/O，當(dāng)一個(gè)信道有I/O操作的時(shí)候，他會(huì)通知Selector，Selector就是記住這個(gè)信道有I/O操作，并且知道是何種I/O操作，是讀呢？是寫呢？還是接受新的連接；所以如果使用Selector，它返回的結(jié)果只有兩種結(jié)果，一種是0，即在你調(diào)用的時(shí)刻沒有任何客戶端需要I/O操作，另一種結(jié)果是一組需要I/O操作的客戶端，這是你就根本不需要再檢查了，因?yàn)樗祷亟o你的肯定是你想要的。這樣一種通知的方式比那種主動(dòng)輪詢的方式要高效得多！

要使用選擇器（Selector），需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Selector實(shí)例（使用靜態(tài)工廠方法open()）并將其注冊(cè)（register）到想要監(jiān)控的信道上（注意，這要通過channel的方法實(shí)現(xiàn)，而不是使用selector的方法）。最后，調(diào)用選擇器的select()方法。該方法會(huì)阻塞等待，直到有一個(gè)或更多的信道準(zhǔn)備好了I/O操作或等待超時(shí)。select()方法將返回可進(jìn)行I/O操作的信道數(shù)量。現(xiàn)在，在一個(gè)單獨(dú)的線程中，通過調(diào)用select()方法就能檢查多個(gè)信道是否準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O操作。如果經(jīng)過一段時(shí)間后仍然沒有信道準(zhǔn)備好，select()方法就會(huì)返回0，并允許程序繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

下面將上面的TCP服務(wù)端代碼改寫成NIO的方式（案例5）：

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
 
    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }
 
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
 
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
 
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
 
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
 
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

下面來慢慢講解這段代碼。

ServerSocketChannel

打開ServerSocketChannel：

`ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();`

關(guān)閉ServerSocketChannel：

`serverSocketChannel.close();`

監(jiān)聽新進(jìn)來的連接：

`while``(``true``){`

`SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();`

`}`

ServerSocketChannel可以設(shè)置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法會(huì)立刻返回，如果還沒有新進(jìn)來的連接,返回的將是null。 因此，需要檢查返回的SocketChannel是否是null.如：

`ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();`

`serverSocketChannel.socket().bind(``new` `InetSocketAddress(``9999``));`

`serverSocketChannel.configureBlocking(``false``);`

`while` `(``true``)`

`{`

`SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();`

`if` `(socketChannel !=` `null``)`

`{`

`// do something with socketChannel...`

`}`

`}`

Selector

Selector的創(chuàng)建：Selector selector = Selector.open();

為了將Channel和Selector配合使用，必須將Channel注冊(cè)到Selector上，通過SelectableChannel.register()方法來實(shí)現(xiàn)，沿用案例5中的部分代碼：

`ssc= ServerSocketChannel.open();`

`ssc.socket().bind(``new` `InetSocketAddress(PORT));`

`ssc.configureBlocking(``false``);`

`ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);`

與Selector一起使用時(shí)，Channel必須處于非阻塞模式下。這意味著不能將FileChannel與Selector一起使用，因?yàn)镕ileChannel不能切換到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意register()方法的第二個(gè)參數(shù)。這是一個(gè)“interest集合”，意思是在通過Selector監(jiān)聽Channel時(shí)對(duì)什么事件感興趣。可以監(jiān)聽四種不同類型的事件：

`1``. Connect`

`2``. Accept`

`3``. Read`

`4``. Write`

通道觸發(fā)了一個(gè)事件意思是該事件已經(jīng)就緒。所以，某個(gè)channel成功連接到另一個(gè)服務(wù)器稱為“連接就緒”。一個(gè)server socket channel準(zhǔn)備好接收新進(jìn)入的連接稱為“接收就緒”。一個(gè)有數(shù)據(jù)可讀的通道可以說是“讀就緒”。等待寫數(shù)據(jù)的通道可以說是“寫就緒”。

這四種事件用SelectionKey的四個(gè)常量來表示：

`1``. SelectionKey.OP_CONNECT`

`2``. SelectionKey.OP_ACCEPT`

`3``. SelectionKey.OP_READ`

`4``. SelectionKey.OP_WRITE`

SelectionKey

當(dāng)向Selector注冊(cè)Channel時(shí)，register()方法會(huì)返回一個(gè)SelectionKey對(duì)象。這個(gè)對(duì)象包含了一些你感興趣的屬性：

interest集合
ready集合
Channel
Selector
附加的對(duì)象（可選）
interest集合：就像向Selector注冊(cè)通道一節(jié)中所描述的，interest集合是你所選擇的感興趣的事件集合。可以通過SelectionKey讀寫interest集合。

ready 集合是通道已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的操作的集合。在一次選擇(Selection)之后，你會(huì)首先訪問這個(gè)ready set。Selection將在下一小節(jié)進(jìn)行解釋。可以這樣訪問ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像檢測(cè)interest集合那樣的方法，來檢測(cè)channel中什么事件或操作已經(jīng)就緒。但是，也可以使用以下四個(gè)方法，它們都會(huì)返回一個(gè)布爾類型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

從SelectionKey訪問Channel和Selector很簡(jiǎn)單。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

可以將一個(gè)對(duì)象或者更多信息附著到SelectionKey上，這樣就能方便的識(shí)別某個(gè)給定的通道。例如，可以附加 與通道一起使用的Buffer，或是包含聚集數(shù)據(jù)的某個(gè)對(duì)象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

還可以在用register()方法向Selector注冊(cè)Channel的時(shí)候附加對(duì)象。如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通過Selector選擇通道

一旦向Selector注冊(cè)了一或多個(gè)通道，就可以調(diào)用幾個(gè)重載的select()方法。這些方法返回你所感興趣的事件（如連接、接受、讀或?qū)懀┮呀?jīng)準(zhǔn)備就緒的那些通道。換句話說，如果你對(duì)“讀就緒”的通道感興趣，select()方法會(huì)返回讀事件已經(jīng)就緒的那些通道。

下面是select()方法：

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

select()阻塞到至少有一個(gè)通道在你注冊(cè)的事件上就緒了。
select(long timeout)和select()一樣，除了最長(zhǎng)會(huì)阻塞timeout毫秒(參數(shù))。
selectNow()不會(huì)阻塞，不管什么通道就緒都立刻返回（譯者注：此方法執(zhí)行非阻塞的選擇操作。如果自從前一次選擇操作后，沒有通道變成可選擇的，則此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已經(jīng)就緒。亦即，自上次調(diào)用select()方法后有多少通道變成就緒狀態(tài)。如果調(diào)用select()方法，因?yàn)橛幸粋€(gè)通道變成就緒狀態(tài)，返回了1，若再次調(diào)用select()方法，如果另一個(gè)通道就緒了，它會(huì)再次返回1。如果對(duì)第一個(gè)就緒的channel沒有做任何操作，現(xiàn)在就有兩個(gè)就緒的通道，但在每次select()方法調(diào)用之間，只有一個(gè)通道就緒了。

一旦調(diào)用了select()方法，并且返回值表明有一個(gè)或更多個(gè)通道就緒了，然后可以通過調(diào)用selector的selectedKeys()方法，訪問“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

當(dāng)像Selector注冊(cè)Channel時(shí)，Channel.register()方法會(huì)返回一個(gè)SelectionKey 對(duì)象。這個(gè)對(duì)象代表了注冊(cè)到該Selector的通道。可以通過SelectionKey的selectedKeySet()方法訪問這些對(duì)象。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()調(diào)用。Selector不會(huì)自己從已選擇鍵集中移除SelectionKey實(shí)例。必須在處理完通道時(shí)自己移除。下次該通道變成就緒時(shí)，Selector會(huì)再次將其放入已選擇鍵集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要轉(zhuǎn)型成你要處理的類型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

一個(gè)完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以參考案例5的selector()方法。

內(nèi)存映射文件

JAVA處理大文件，一般用BufferedReader,BufferedInputStream這類帶緩沖的IO類，不過如果文件超大的話，更快的方式是采用MappedByteBuffer。

MappedByteBuffer是NIO引入的文件內(nèi)存映射方案，讀寫性能極高。NIO最主要的就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步操作的支持。其中一種通過把一個(gè)套接字通道(SocketChannel)注冊(cè)到一個(gè)選擇器(Selector)中,不時(shí)調(diào)用后者的選擇(select)方法就能返回滿足的選擇鍵(SelectionKey),鍵中包含了SOCKET事件信息。這就是select模型。

SocketChannel的讀寫是通過一個(gè)類叫ByteBuffer來操作的.這個(gè)類本身的設(shè)計(jì)是不錯(cuò)的,比直接操作byte[]方便多了. ByteBuffer有兩種模式:直接/間接.間接模式最典型(也只有這么一種)的就是HeapByteBuffer,即操作堆內(nèi)存 (byte[]).但是內(nèi)存畢竟有限,如果我要發(fā)送一個(gè)1G的文件怎么辦?不可能真的去分配1G的內(nèi)存.這時(shí)就必須使用”直接”模式,即 MappedByteBuffer,文件映射.

先中斷一下,談?wù)劜僮飨到y(tǒng)的內(nèi)存管理.一般操作系統(tǒng)的內(nèi)存分兩部分:物理內(nèi)存;虛擬內(nèi)存.虛擬內(nèi)存一般使用的是頁(yè)面映像文件,即硬盤中的某個(gè)(某些)特殊的文件.操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)頁(yè)面文件內(nèi)容的讀寫,這個(gè)過程叫”頁(yè)面中斷/切換”. MappedByteBuffer也是類似的,你可以把整個(gè)文件(不管文件有多大)看成是一個(gè)ByteBuffer.MappedByteBuffer 只是一種特殊的ByteBuffer，即是ByteBuffer的子類。 MappedByteBuffer 將文件直接映射到內(nèi)存（這里的內(nèi)存指的是虛擬內(nèi)存，并不是物理內(nèi)存）。通常，可以映射整個(gè)文件，如果文件比較大的話可以分段進(jìn)行映射，只要指定文件的那個(gè)部分就可以。

概念

FileChannel提供了map方法來把文件影射為內(nèi)存映像文件： MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的從position開始的size大小的區(qū)域映射為內(nèi)存映像文件，mode指出了 可訪問該內(nèi)存映像文件的方式：

  • READ_ONLY,（只讀）： 試圖修改得到的緩沖區(qū)將導(dǎo)致拋出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)
  • READ_WRITE（讀/寫）： 對(duì)得到的緩沖區(qū)的更改最終將傳播到文件；該更改對(duì)映射到同一文件的其他程序不一定是可見的。 (MapMode.READ_WRITE)
  • PRIVATE（專用）： 對(duì)得到的緩沖區(qū)的更改不會(huì)傳播到文件，并且該更改對(duì)映射到同一文件的其他程序也不是可見的；相反，會(huì)創(chuàng)建緩沖區(qū)已修改部分的專用副本。 (MapMode.PRIVATE)

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子類，其擴(kuò)充了三個(gè)方法：

  • force()：緩沖區(qū)是READ_WRITE模式下，此方法對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)容的修改強(qiáng)行寫入文件；
  • load()：將緩沖區(qū)的內(nèi)容載入內(nèi)存，并返回該緩沖區(qū)的引用；
  • isLoaded()：如果緩沖區(qū)的內(nèi)容在物理內(nèi)存中，則返回真，否則返回假；

案例對(duì)比

這里通過采用ByteBuffer和MappedByteBuffer分別讀取大小約為5M的文件”src/1.ppt”來比較兩者之間的區(qū)別，method3()是采用MappedByteBuffer讀取的，method4()對(duì)應(yīng)的是ByteBuffer。

public static void method4(){
      RandomAccessFile aFile = null;
      FileChannel fc = null;
      try{
          aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
          fc = aFile.getChannel();
 
          long timeBegin = System.currentTimeMillis();
          ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate((int) aFile.length());
          buff.clear();
          fc.read(buff);
          //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2-1)));
          //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)));
          //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)+1));
          long timeEnd = System.currentTimeMillis();
          System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");
 
      }catch(IOException e){
          e.printStackTrace();
      }finally{
          try{
              if(aFile!=null){
                  aFile.close();
              }
              if(fc!=null){
                  fc.close();
              }
          }catch(IOException e){
              e.printStackTrace();
          }
      }
  }
 
  public static void method3(){
      RandomAccessFile aFile = null;
      FileChannel fc = null;
      try{
          aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
          fc = aFile.getChannel();
          long timeBegin = System.currentTimeMillis();
          MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, aFile.length());
          // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2-1)));
          // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)));
          //System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)+1));
          long timeEnd = System.currentTimeMillis();
          System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");
      }catch(IOException e){
          e.printStackTrace();
      }finally{
          try{
              if(aFile!=null){
                  aFile.close();
              }
              if(fc!=null){
                  fc.close();
              }
          }catch(IOException e){
              e.printStackTrace();
          }
      }
  }

通過在入口函數(shù)main()中運(yùn)行：

method3();
       System.out.println("=============");
       method4();

輸出結(jié)果（運(yùn)行在普通PC機(jī)上）：
Read time: 2ms
=============
Read time: 12ms
通過輸出結(jié)果可以看出彼此的差別，一個(gè)例子也許是偶然，那么下面把5M大小的文件替換為200M的文件，輸出結(jié)果：
Read time: 1ms
=============
Read time: 407ms

可以看到差距拉大。

注：MappedByteBuffer有資源釋放的問題：被MappedByteBuffer打開的文件只有在垃圾收集時(shí)才會(huì)被關(guān)閉，而這個(gè)點(diǎn)是不確定的。在Javadoc中這里描述：A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remian valid until the buffer itself is garbage-collected。詳細(xì)可以翻閱參考資料5和6.

其余功能介紹

看完以上陳述，詳細(xì)大家對(duì)NIO有了一定的了解，下面主要通過幾個(gè)案例，來說明NIO的其余功能，下面代碼量偏多，功能性講述偏少。

Scatter/Gatter

分散（scatter）從Channel中讀取是指在讀操作時(shí)將讀取的數(shù)據(jù)寫入多個(gè)buffer中。因此，Channel將從Channel中讀取的數(shù)據(jù)“分散（scatter）”到多個(gè)Buffer中。

聚集（gather）寫入Channel是指在寫操作時(shí)將多個(gè)buffer的數(shù)據(jù)寫入同一個(gè)Channel，因此，Channel 將多個(gè)Buffer中的數(shù)據(jù)“聚集（gather）”后發(fā)送到Channel。

scatter / gather經(jīng)常用于需要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分開處理的場(chǎng)合，例如傳輸一個(gè)由消息頭和消息體組成的消息，你可能會(huì)將消息體和消息頭分散到不同的buffer中，這樣你可以方便的處理消息頭和消息體。

案例：

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.FileChannel;
 
public class ScattingAndGather
{
    public static void main(String args[]){
        gather();
    }
 
    public static void gather()
    {
        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(10);
        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
 
        byte [] b1 = {'0', '1'};
        byte [] b2 = {'2', '3'};
        header.put(b1);
        body.put(b2);
 
        ByteBuffer [] buffs = {header, body};
 
        try
        {
            FileOutputStream os = new FileOutputStream("src/scattingAndGather.txt");
            FileChannel channel = os.getChannel();
            channel.write(buffs);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

transferFrom & transferTo
FileChannel的transferFrom()方法可以將數(shù)據(jù)從源通道傳輸?shù)紽ileChannel中。

public static void method1(){
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try
        {
            fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.xml","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
 
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println(count);
            toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);
 
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(fromFile != null){
                    fromFile.close();
                }
                if(toFile != null){
                    toFile.close();
                }
            }
            catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

方法的輸入?yún)?shù)position表示從position處開始向目標(biāo)文件寫入數(shù)據(jù)，count表示最多傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。如果源通道的剩余空間小于 count 個(gè)字節(jié)，則所傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)要小于請(qǐng)求的字節(jié)數(shù)。此外要注意，在SoketChannel的實(shí)現(xiàn)中，SocketChannel只會(huì)傳輸此刻準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)（可能不足count字節(jié)）。因此，SocketChannel可能不會(huì)將請(qǐng)求的所有數(shù)據(jù)(count個(gè)字節(jié))全部傳輸?shù)紽ileChannel中。

transferTo()方法將數(shù)據(jù)從FileChannel傳輸?shù)狡渌腸hannel中。

public static void method2()
   {
       RandomAccessFile fromFile = null;
       RandomAccessFile toFile = null;
       try
       {
           fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.txt","rw");
           FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
           toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
           FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
 
           long position = 0;
           long count = fromChannel.size();
           System.out.println(count);
           fromChannel.transferTo(position, count,toChannel);
 
       }
       catch (IOException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       finally{
           try{
               if(fromFile != null){
                   fromFile.close();
               }
               if(toFile != null){
                   toFile.close();
               }
           }
           catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }

上面所說的關(guān)于SocketChannel的問題在transferTo()方法中同樣存在。SocketChannel會(huì)一直傳輸數(shù)據(jù)直到目標(biāo)buffer被填滿。

Pipe

Java NIO 管道是2個(gè)線程之間的單向數(shù)據(jù)連接。Pipe有一個(gè)source通道和一個(gè)sink通道。數(shù)據(jù)會(huì)被寫到sink通道，從source通道讀取。

public static void method1(){
        Pipe pipe = null;
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
        try{
            pipe = Pipe.open();
            final Pipe pipeTemp = pipe;
 
            exec.submit(new Callable<Object>(){
                @Override
                public Object call() throws Exception
                {
                    Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipeTemp.sink();//向通道中寫數(shù)據(jù)
                    while(true){
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        String newData = "Pipe Test At Time "+System.currentTimeMillis();
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        buf.put(newData.getBytes());
                        buf.flip();
 
                        while(buf.hasRemaining()){
                            System.out.println(buf);
                            sinkChannel.write(buf);
                        }
                    }
                }
            });
 
            exec.submit(new Callable<Object>(){
                @Override
                public Object call() throws Exception
                {
                    Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipeTemp.source();//向通道中讀數(shù)據(jù)
                    while(true){
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        int bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                        System.out.println("bytesRead="+bytesRead);
                        while(bytesRead >0 ){
                            buf.flip();
                            byte b[] = new byte[bytesRead];
                            int i=0;
                            while(buf.hasRemaining()){
                                b[i]=buf.get();
                                System.out.printf("%X",b[i]);
                                i++;
                            }
                            String s = new String(b);
                            System.out.println("=================||"+s);
                            bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                        }
                    }
                }
            });
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            exec.shutdown();
        }
    }

DatagramChannel
Java NIO中的DatagramChannel是一個(gè)能收發(fā)UDP包的通道。因?yàn)閁DP是無連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以不能像其它通道那樣讀取和寫入。它發(fā)送和接收的是數(shù)據(jù)包。

public static void  reveive(){
       DatagramChannel channel = null;
       try{
           channel = DatagramChannel.open();
           channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
           ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
           buf.clear();
           channel.receive(buf);
 
           buf.flip();
           while(buf.hasRemaining()){
               System.out.print((char)buf.get());
           }
           System.out.println();
 
       }catch(IOException e){
           e.printStackTrace();
       }finally{
           try{
               if(channel!=null){
                   channel.close();
               }
           }catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
 
   public static void send(){
       DatagramChannel channel = null;
       try{
           channel = DatagramChannel.open();
           String info = "I'm the Sender!";
           ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
           buf.clear();
           buf.put(info.getBytes());
           buf.flip();
 
           int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("10.10.195.115",8888));
           System.out.println(bytesSent);
       }catch(IOException e){
           e.printStackTrace();
       }finally{
           try{
               if(channel!=null){
                   channel.close();
               }
           }catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }

可以通過閱讀參考資料2和3了解更多的NIO細(xì)節(jié)知識(shí)，前人栽樹后人乘涼，這里就不贅述啦。

參考資料

  1. Java NIO
  2. Java NIO 系列教程
  3. Java NIO 詳解
    4. 《深入分析Java Web技術(shù)內(nèi)幕》許令波 著
  4. java大文件讀寫操作，java nio 之MappedByteBuffer，高效文件/內(nèi)存映射
  5. java nio 之MappedByteBuffer，高效文件/內(nèi)存映射

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