当前位置：首页 > news >正文

Java NIO 应知应会（一）

news 2024/10/27 23:36:12

Java NIO

NIO（New IO），New 相对传统的阻塞IO而言，Java 1.4版本开始引入的一个新的I/O AP，它提供了一种不同于传统Java IO和网络API的编程模型。

NIO是面向缓存区，这使得它可以更好地支持非阻塞I/O操作，在网络编程方面尤其在处理大量连接时更加高效。

NIO经常被误解为Non-blocking IO,即非阻塞IO，这是不准确的，因为NIO提供了多种模式，包括阻塞和非阻塞。

本文主要内容包含NIO 核心组件

Channel
Buffer
Selector

Channel

Channel是进行I/O操作的通道（IO不限于文件IO，网路IO等），它类似于传统的流（Stream），但有一些关键的区别

Channel是全双工的，既可以读，也可以写
Channel 所有的读写都是通过Buffer 进行的
Channel 支持非阻塞模式，当然也支持阻塞模式(这是为什么NIO 翻译为Non-blocking IO不严谨的原因)

Channel 常见实现类

FileChannel ：它提供了对文件进行随机访问的能力
DatagramChannel：用于通过UDP协议在网络上发送和接收数据
SocketChannel：用于通过TCP协议在网络上建立客户端连接并进行通信
ServerSocketChannel：用于监听传入的TCP连接请求，类似于Web服务器的功能

简单的文件读取例子

   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();

Buffer

Buffer 本质上是一块内存区域，可以用于读取数据和写入数据，比传统的流(Stream)更加高效。

Buffer 相关基本概念

Capacity
缓冲区能够容纳的最大数据量
Limit
缓冲区当前可读或可写的最大位置
Position
当前读/写操作的位置。每次读/写操作后，位置会自动增加。

在这里插入图片描述

主要方法

flip(): 切换为读模式，调用flip()会将位置设置回 0，并将limit设置为刚刚位置所在的地方(position)
clear(): 清空缓冲区，位置将被设置回 0，limit将被设置为Capacity，实际上数据没有真正清除
compact(): 将未读的数据复制到缓冲区起始位置，然后将position设为未读数据的数量，limit保持不变。
mark() 和 reset(): 设置和重置position到之前标记的位置。
rewind(): 将position设为0，并保持limit不变，用于重新读取整个缓冲区。
hasRemaining(): 判断是否有剩余的元素可以读取。
remaining(): 返回还可以读取或写入的元素数量。
分配Buffer

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

从Channel读取

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

不同类型的 Buffer

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

以ByteBuffer为例，ByteBuffer其实是抽象类，它有两种实现DirectByteBuffer和HeapByteBuffer

DirectByteBuffer

直接在操作系统分配的内存中创建，而不是在Java堆空间中。这意味着它不受Java垃圾回收机制的影响。开发者需要手动释放内存，如果使用不当，可能会导致内存泄漏

ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)方法来创建一个DirectByteBuffer实例
HeapByteBuffer

HeapByteBuffer是在Java堆内存中分配的。这意味着它可以被垃圾收集器管理。

性能特点:
在大多数情况下，对于小规模的数据处理，HeapByteBuffer的性能足够好，因为它避免了与操作系统交互带来的开销。

在涉及大量I/O操作或需要高效内存访问的情况下，HeapByteBuffer可能不如DirectByteBuffer高效

使用ByteBuffer.allocate(int capacity)方法来创建一个HeapByteBuffer实例。

Selector

Selector可以检查一个或多个 Java NIO 通道(Channel)实例，
并确定哪些通道已准备好进行例如读取或写入操作,NIO selector 使用单线程就可以处理大量并发连接时。

多路复用：Selector可以同时监控多个通道的状态变化，如读就绪、写就绪等。
非阻塞I/O：结合非阻塞模式的通道使用，可以在没有数据可读或可写时立即返回，而不是阻塞等待。
事件驱动：当有感兴趣的事件发生时，Selector会通知应用程序，应用进行相应读写事件处理。

事件类型

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

使用步骤

创建 Selector
打开 Channel 并设置为非阻塞模式
将 Channel 注册到 Selector 上，并指定感兴趣的事件类型
在循环中调用 select() 方法，等待事件发生
处理事件

核心代码

Selector selector = Selector.open();channel.configureBlocking(false);SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while(true) {int readyChannels = selector.select();if(readyChannels == 0) continue;Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while(keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();if(key.isAcceptable()) {// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.} else if (key.isConnectable()) {// a connection was established with a remote server.} else if (key.isReadable()) {// a channel is ready for reading} else if (key.isWritable()) {// a channel is ready for writing}keyIterator.remove();}
}