Java NIO 與 IO之間的區別

概述

Java NIO提供了與標準IO不同的IO工作方式： 

• Channels and Buffers（通道和緩衝區）：標準的IO基於字節流和字符流進行操作的，而NIO是基於通道（Channel）和緩衝區（Buffer）進行操作，數據總是從通道讀取到緩衝區中，或者從緩衝區寫入到通道中。
• Asynchronous IO（異步IO）：Java NIO可以讓你異步的使用IO，例如：當線程從通道讀取數據到緩衝區時，線程還是可以進行其他事情。當數據被寫入到緩衝區時，線程可以繼續處理它。從緩衝區寫入通道也類似。
• Selectors（選擇器）：Java NIO引入了選擇器的概念，選擇器用於監聽多個通道的事件（比如：連接打開，數據到達）。因此，單個的線程可以監聽多個數據通道。

使用場景

NIO

• 優勢在於一個線程管理多個通道；但是數據的處理將會變得複雜；
• 如果需要管理同時打開的成千上萬個連接，這些連接每次只是發送少量的數據，採用這種；

傳統的IO

• 適用於一個線程管理一個通道的情況；因爲其中的流數據的讀取是阻塞的；
• 如果需要管理同時打開不太多的連接，這些連接會發送大量的數據；

NIO vs IO區別

NIO vs IO之間的理念上面的區別（NIO將阻塞交給了後臺線程執行）

• IO是面向流的，NIO是面向緩衝區的
  • Java IO面向流意味着每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方；
  • NIO則能前後移動流中的數據，因爲是面向緩衝區的
• IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的
  • Java IO的各種流是阻塞的。這意味着，當一個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再幹任何事情了
  • Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就什麼都不會獲取。NIO可讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網絡連接或文件），但付出的代價是解析數據可能會比從一個阻塞流中讀取數據更復雜。 
  • 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。
• 選擇器
  • Java NIO的選擇器允許一個單獨的線程來監視多個輸入通道，你可以註冊多個通道使用一個選擇器，然後使用一個單獨的線程來“選擇”通道：這些通道里已經有可以處理的輸入，或者選擇已準備寫入的通道。這種選擇機制，使得一個單獨的線程很容易來管理多個通道。 

Java NIO 由以下幾個核心部分組成： 

• Channels
• Buffers
• Selectors

基本上，所有的 IO 在NIO 中都從一個Channel 開始。Channel 有點象流。 數據可以從Channel讀到Buffer中，也可以從Buffer 寫到Channel中。這裏有個圖示： 

Channel

Channel的實現： （涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，以及文件IO）

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

讀數據：

• int bytesRead = inChannel.read(buf);

寫數據：

• int bytesWritten = inChannel.write(buf);  

還有部分的使用，如配置Channel爲阻塞或者非阻塞模式，以及如何註冊到Selector上面去，參考Selector部分；

Buffer

Buffer實現： （byte,  char、short, int, long, float, double ）

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

Buffer使用

讀數據

• flip()方法
  • 將Buffer從寫模式切換到讀模式
  • 調用flip()方法會將position設回0，並將limit設置成之前position的值。
  • buf.flip();
•  (char) buf.get()
  • 讀取數據
• Buffer.rewind()
  • 將position設回0，所以你可以重讀Buffer中的所有數據
  • limit保持不變，仍然表示能從Buffer中讀取多少個元素（byte、char等）
• Buffer.mark()方法，可以標記Buffer中的一個特定position。之後可以通過調用
• Buffer.reset()方法，恢復到Buffer.mark()標記時的position
• 一旦讀完了所有的數據，就需要清空緩衝區，讓它可以再次被寫入。
• clear()方法會：
  • 清空整個緩衝區。
  • position將被設回0，limit被設置成 capacity的值
• compact()方法：
  • 只會清除已經讀過的數據；任何未讀的數據都被移到緩衝區的起始處，新寫入的數據將放到緩衝區未讀數據的後面。
  • 將position設到最後一個未讀元素正後面，limit被設置成 capacity的值

寫數據

• buf.put(127);  

Buffer的三個屬性

• capacity：含義與模式無關；Buffer的一個固定的大小值；Buffer滿了需要將其清空才能再寫；
  • ByteBuffer.allocate(48)；該buffer的capacity爲48byte
  • CharBuffer.allocate(1024);該buffer的capacity爲1024個char 
• position：含義取決於Buffer處在讀模式還是寫模式（初始值爲0，寫或者讀操作的當前位置）
  • 寫數據時，初始的position值爲0；其值最大可爲capacity-1
  • 將Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置爲0
• limit：含義取決於Buffer處在讀模式還是寫模式（寫limit=capacity；讀limit等於最多可以讀取到的數據）
  • 寫模式下，limit等於Buffer的capacity
  • 切換Buffer到讀模式時， limit表示你最多能讀到多少數據；

Selector

概述

    Selector允許單線程處理多個 Channel。如果你的應用打開了多個連接（通道），但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。例如，在一個聊天服務器中。

    要使用Selector，得向Selector註冊Channel，然後調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新連接進來，數據接收等。 

使用

1. 創建：Selector selector = Selector.open();  
2. 註冊通道：
   • channel.configureBlocking(false);  
     • //與Selector一起使用時，Channel必須處於非阻塞模式
     • //這意味着不能將FileChannel與Selector一起使用，因爲FileChannel不能切換到非阻塞模式(而套接字通道都可以)
   • SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ); 
     • //第二個參數表明Selector監聽Channel時對什麼事件感興趣
     • //SelectionKey.OP_CONNECT  SelectionKey.OP_ACCEPT  SelectionKey.OP_READ SelectionKey.OP_WRITE
     • //可以用或操作符將多個興趣組合一起
   • SelectionKey
     • 包含了interest集合 、ready集合 、Channel 、Selector 、附加的對象（可選）
     • int interestSet = key.interestOps()；可以進行類似interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT的判斷
3. 使用：
   • select()：阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒了
   • selectNow()：不會阻塞，不管什麼通道就緒都立刻返回
   • selectedKeys()：訪問“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道
   • close()：使用完selector需要用其close()方法會關閉該Selector，且使註冊到該Selector上的所有SelectionKey實例無效

1. Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  
2. Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();  
3. while(keyIterator.hasNext()) {  
4.     SelectionKey key = keyIterator.next();  
5.     if(key.isAcceptable()) {  
6.         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.  
7.     } else if (key.isConnectable()) {  
8.         // a connection was established with a remote server.  
9.     } else if (key.isReadable()) {  
10.         // a channel is ready for reading  
11.     } else if (key.isWritable()) {  
12.         // a channel is ready for writing  
13.     } 
14.     keyIterator.remove();//注意這裏必須手動remove；表明該selectkey我已經處理過了；
15. }

Java測試關鍵代碼

1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  //從一個InputStream outputstream中獲取channel
3.   
4. //create buffer with capacity of 48 bytes  
5. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
6.   
7. int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  
8. while (bytesRead != -1) {  
9.   
10.   buf.flip();  //make buffer ready for read  
11.   
12.   while(buf.hasRemaining()){  
13.       System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time  
14.   }  
15.   
16.   buf.clear(); //make buffer ready for writing  
17.   bytesRead = inChannel.read(buf);  
18. }  
19. aFile.close();  

文件通道

1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  

讀數據

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. int bytesRead = inChannel.read(buf);  

寫數據

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();   
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. while(buf.hasRemaining()) {  
7.     channel.write(buf);  
8. } 

Socket 通道

1. SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();  
2. socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

讀數據

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. int bytesRead = socketChannel.read(buf);  

寫數據

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. while(buf.hasRemaining()) {  
7.     socketChannel.write(buf);  
8. }  

ServerSocket 通道

1. ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  
2. serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
3. while(true){  
4.     SocketChannel socketChannel =  
5.             serverSocketChannel.accept();  
6.     //do something with socketChannel...  
7. } 

Datagram 通道(channel的讀寫操作與前面的有差異)

1. DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();  
2. channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  

讀數據

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. buf.clear();  
3. channel.receive(buf);
4. //receive()方法會將接收到的數據包內容複製到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的數據，多出的數據將被丟棄。 

寫數據

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));