快速了解Java中NIO核心组件-创新互联

背景知识

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同步、异步、阻塞、非阻塞

首先,这几个概念非常容易搞混淆,但NIO中又有涉及,所以总结一下。

同步:API调用返回时调用者就知道操作的结果如何了(实际读取/写入了多少字节)。

异步:相对于同步,API调用返回时调用者不知道操作的结果,后面才会回调通知结果。

阻塞:当无数据可读,或者不能写入所有数据时,挂起当前线程等待。

非阻塞:读取时,可以读多少数据就读多少然后返回,写入时,可以写入多少数据就写入多少然后返回。

对于I/O操作,根据Oracle官网的文档,同步异步的划分标准是“调用者是否需要等待I/O操作完成”,这个“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要读取到数据或者说写入所有数据,而是指真正进行I/O操作时,比如数据在TCP/IP协议栈缓冲区和JVM缓冲区之间传输的这段时间,调用者是否要等待。

所以,我们常用的read()和write()方法都是同步I/O,同步I/O又分为阻塞和非阻塞两种模式,如果是非阻塞模式,检测到无数据可读时,直接就返回了,并没有真正执行I/O操作。

总结就是,Java中实际上只有同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O与异步I/O三种机制,我们下文所说的是前两种,JDK1.7才开始引入异步I/O,那称之为NIO.2。

传统IO

我们知道,一个新技术的出现总是伴随着改进和提升,JavaNIO的出现亦如此。

传统I/O是阻塞式I/O,主要问题是系统资源的浪费。比如我们为了读取一个TCP连接的数据,调用InputStream的read()方法,这会使当前线程被挂起,直到有数据到达才被唤醒,那该线程在数据到达这段时间内,占用着内存资源(存储线程栈)却无所作为,也就是俗话说的占着茅坑不拉屎,为了读取其他连接的数据,我们不得不启动另外的线程。在并发连接数量不多的时候,这可能没什么问题,然而当连接数量达到一定规模,内存资源会被大量线程消耗殆尽。另一方面,线程切换需要更改处理器的状态,比如程序计数器、寄存器的值,因此非常频繁的在大量线程之间切换,同样是一种资源浪费。

随着技术的发展,现代操作系统提供了新的I/O机制,可以避免这种资源浪费。基于此,诞生了JavaNIO,NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。紧接着我们发现,简单的使用非阻塞I/O并不能解决问题,因为在非阻塞模式下,read()方法在没有读取到数据时就会立即返回,不知道数据何时到达的我们,只能不停的调用read()方法进行重试,这显然太浪费CPU资源了,从下文可以知道,Selector组件正是为解决此问题而生。

JavaNIO核心组件

1.Channel

概念

JavaNIO中的所有I/O操作都基于Channel对象,就像流操作都要基于Stream对象一样,因此很有必要先了解Channel是什么。以下内容摘自JDK1.8的文档

Achannelrepresentsanopenconnectiontoanentitysuchasahardwaredevice,afile,anetworksocket,oraprogramcomponentthatiscapableofperformingoneormoredistinctI/Ooperations,forexamplereadingorwriting.

从上述内容可知,一个Channel(通道)代表和某一实体的连接,这个实体可以是文件、网络套接字等。也就是说,通道是JavaNIO提供的一座桥梁,用于我们的程序和操作系统底层I/O服务进行交互。

通道是一种很基本很抽象的描述,和不同的I/O服务交互,执行不同的I/O操作,实现不一样,因此具体的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起来跟Stream比较像,可以读取数据到Buffer中,也可以把Buffer中的数据写入通道。

当然,也有区别,主要体现在如下两点:

一个通道,既可以读又可以写,而一个Stream是单向的(所以分InputStream和OutputStream)

通道有非阻塞I/O模式

实现

JavaNIO中最常用的通道实现是如下几个,可以看出跟传统的I/O操作类是一一对应的。

FileChannel:读写文件

DatagramChannel:UDP协议网络通信

SocketChannel:TCP协议网络通信

ServerSocketChannel:监听TCP连接

2.Buffer

NIO中所使用的缓冲区不是一个简单的byte数组,而是封装过的Buffer类,通过它提供的API,我们可以灵活的操纵数据,下面细细道来。

与Java基本类型相对应,NIO提供了多种Buffer类型,如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等,区别就是读写缓冲区时的单位长度不一样(以对应类型的变量为单位进行读写)。

Buffer中有3个很重要的变量,它们是理解Buffer工作机制的关键,分别是

capacity(总容量)

position(指针当前位置)

limit(读/写边界位置)

Buffer的工作方式跟C语言里的字符数组非常的像,类比一下,capacity就是数组的总长度,position就是我们读/写字符的下标变量,limit就是结束符的位置。Buffer初始时3个变量的情况如下图

在对Buffer进行读/写的过程中,position会往后移动,而limit就是position移动的边界。由此不难想象,在对Buffer进行写入操作时,limit应当设置为capacity的大小,而对Buffer进行读取操作时,limit应当设置为数据的实际结束位置。(注意:将Buffer数据写入通道是Buffer读取操作,从通道读取数据到Buffer是Buffer写入操作)

在对Buffer进行读/写操作前,我们可以调用Buffer类提供的一些辅助方法来正确设置position和limit的值,主要有如下几个

flip():设置limit为position的值,然后position置为0。对Buffer进行读取操作前调用。

rewind():仅仅将position置0。一般是在重新读取Buffer数据前调用,比如要读取同一个Buffer的数据写入多个通道时会用到。

clear():回到初始状态,即limit等于capacity,position置0。重新对Buffer进行写入操作前调用。

compact():将未读取完的数据(position与limit之间的数据)移动到缓冲区开头,并将position设置为这段数据末尾的下一个位置。其实就等价于重新向缓冲区中写入了这么一段数据。

然后,看一个实例,使用FileChannel读写文本文件,通过这个例子验证通道可读可写的特性以及Buffer的基本用法(注意FileChannel不能设置为非阻塞模式)。

FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
channel.position(channel.size());
// 移动文件指针到末尾(追加写入)
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);
// 数据写入Buffer
byteBuffer.put("你好,世界!\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// Buffer -> Channel
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
	channel.write(byteBuffer);
}
channel.position(0);
// 移动文件指针到开头(从头读取)
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();
// 读出所有数据
byteBuffer.clear();
while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
	byteBuffer.flip();
	// 使用UTF-8解码器解码
	charBuffer.clear();
	decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);
	System.out.print(charBuffer.flip().toString());
	byteBuffer.compact();
	// 数据可能有剩余
}
channel.close();

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