JAVA NIO

1.   基本概念

       IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。
       IO 是操作系统的底层功能实现，底层通过 I/O 指令进行完成。 
       所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。(c 的 printf scanf,java 的面向对象封装 )

2.    Java 标准io 回顾

     Java 标准IO类库是io 面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现，我们无须关注底层实现。
     InputStream\OutputStream( 字节流 ) ：一次传送一个字节。
     Reader\Writer( 字符流 ) ：一次一个字符。

3.    NIO 简介

NIO 是java New IO 的简称，在 jdk1.4 里提供的新 api 。Sun 官方标榜的特性如下：

–为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。
– 字符集编码解码解决方案。
–Channel ：一个新的原始 I/O 抽象。
–支持锁和内存映射文件的文件访问接口。
–提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。

本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。

4.   Buffer&Chanel

Channel 和buffer 是NIO 是两个最基本的数据类型抽象。
Buffer:
–是一块连续的内存块。
–是NIO数据读或写的中转地。
Channel:
–数据的源头或者数据的目的地
–用于向buffer 提供数据或者读取buffer 数据,buffer 对象的唯一接口。
–异步I/O 支持

图1：channel和buffer关系

例子1:CopyFile.java:

package sample;   
  
import java.io.FileInputStream;   
import java.io.FileOutputStream;   
import java.nio.ByteBuffer;   
import java.nio.channels.FileChannel;   
  
public class CopyFile {   
    public static void main(String[] args) throws Exception {   
        String infile = "C:\\copy.sql";   
        String outfile = "C:\\copy.txt";   
        // 获取源文件和目标文件的输入输出流   
        FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);   
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);   
        // 获取输入输出通道   
        FileChannel fcin = fin.getChannel();   
        FileChannel fcout = fout.getChannel();   
        // 创建缓冲区   
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);   
        while (true) {   
            // clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据   
            buffer.clear();   
            // 从输入通道中将数据读到缓冲区   
            int r = fcin.read(buffer);   
            // read方法返回读取的字节数，可能为零，如果该通道已到达流的末尾，则返回-1   
            if (r == -1) {   
                break;   
            }   
            // flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道   
            buffer.flip();   
            // 从输出通道中将数据写入缓冲区   
            fcout.write(buffer);   
        }   
    }   
}  

其中 buffer内部结构如下

 

一个 buffer 主要由 position,limit,capacity 三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格：

参数	写模式	读模式
position	当前写入的单位数据数量。	当前读取的单位数据位置。
limit	代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。	代表最多能读多少单位数据，和之前写入的单位数据量一致。
capacity	buffer 容量	buffer 容量

Buffer常见方法:
flip():写模式转换成读模式
rewind()：将position重置为0，一般用于重复读。
clear()：清空buffer，准备再次被写入(position变成0 ，limit变成capacity)。
compact():将未读取的数据拷贝到buffer的头部位。
mark()、reset():mark可以标记一个位置，reset可以重置到该位置。
Buffer常见类型：ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer 、 DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。
channel常见类型:FileChannel、DatagramChannel(UDP)、SocketChannel(TCP)、ServerSocketChannel(TCP)
在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。(具体代码可以见附件。见nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是参考数据：
–场景1：Copy一个370M的文件
–场景2:三个线程同时拷贝，每个线程拷贝一个370M文件

场景	FileInputStream +FileOutputStream	FileInputStream+ BufferedInputStream+ FileOutputStream	ByteBuffer +FileChannel	MappedByteBuffer +FileChannel
场景一时间 ( 毫秒 )	25155	17500	19000	16500
场景二时间 ( 毫秒 )	69000	67031	74031	71016

5.    nio.charset

    字符编码解码 : 字节码本身只是一些数字，放到正确的上下文中被正确被解析。向 ByteBuffer 中存放数据时需要考虑字符集的编码方式，读取展示 ByteBuffer 数据时涉及对字符集解码。
    Java.nio.charset 提供了编码解码一套解决方案。
    以我们最常见的 http 请求为例，在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。
    以下代码向 baidu 发一次请求，并获取结果进行显示。例子演示到了 charset 的使用。
例子 2BaiduReader.java

package nio.readpage;   
  
import java.nio.ByteBuffer;   
import java.nio.channels.SocketChannel;   
import java.nio.charset.Charset;   
import java.net.InetSocketAddress;   
import java.io.IOException;   
public class BaiduReader {   
    private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建GBK字符集   
    private SocketChannel channel;   
    public void readHTMLContent() {   
        try {   
            InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(   
"www.baidu.com", 80);   
//step1:打开连接   
            channel = SocketChannel.open(socketAddress);   
        //step2:发送请求，使用GBK编码   
            channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));   
            //step3:读取数据   
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲   
            while (channel.read(buffer) != -1) {   
                buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。   
                System.out.println(charset.decode(buffer));   
                // 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串   
                buffer.clear();// 清空缓冲   
            }   
        } catch (IOException e) {   
            System.err.println(e.toString());   
        } finally {   
            if (channel != null) {   
                try {   
                    channel.close();   
                } catch (IOException e) {   
                }   
            }   
        }   
    }   
    public static void main(String[] args) {   
        new BaiduReader().readHTMLContent();   
    }   
}  

6.非阻塞 IO

关于非阻塞 IO 将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心 API 几个方面来理解。

何为阻塞？

一个常见的网络 IO 通讯流程如下 :

       从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞 :
       在以上过程中若连接还没到来，那么 accept 会阻塞 , 程序运行到这里不得不挂起，CPU 转而执行其他线程。
       在以上过程中若数据还没准备好， read 会一样也会阻塞。
       阻塞式网络 IO 的特点：多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU 时间。每个线程遇到外部未准备好的时候，都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口，一天只会有几次请求进来，但是该cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试，大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞？

下面有个隐喻：
       一辆从 A 开往B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？
      1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式) 
      2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。( 类似非阻塞 ) 
      很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

      把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。由一个专门的线程来处理所有的IO事件，并负责分发。 
      事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。 
      线程通讯：线程之间通过wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。以下是异步 IO 的结构：

Reactor 就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。

异步 IO 核心 API
Selector
      异步IO 的核心类，它能检测一个或多个通道(channel) 上的事件，并将事件分发出去。
      使用一个select 线程就能监听多个通道上的事件，并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个channel 去分配一个线程。
SelectionKey
包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。
例子 1 单线程实现监听两个端口。 ( 见 nio.asyn 包下面的例子。 )
例子 2 NIO 线程协作实现资源合理利用。 (wait,notify) 。 ( 见nio.asyn.multithread 下的例子 )

附件：异步IO实例