Java NIO學習筆記---Channel
Java NIO 的核心組成部分:
1.Channels
2.Buffers
3.Selectors
我們首先來學習Channels(java.nio.channels):
通道
1)通道基礎
通道(Channel)是java.nio的第二個主要創新。它們既不是一個擴展也不是一項增強,而是全新、極好的Java I/O示例,提供與I/O服務的直接連接。Channel用於在字節緩衝區和位於通道另一側的實體(通常是一個文件或套接字)之間有效地傳輸數據。
channel的jdk源碼:
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package java.nio.channels; public interface Channel; { public boolean isOpen(); public void close() throws IOException; } |
與緩衝區不同,通道API主要由接口指定。不同的操作系統上通道實現(Channel Implementation)會有根本性的差異,所以通道API僅僅描述了可以做什麼。因此很自然地,通道實現經常使用操作系統的本地代碼。通道接口允許您以一種受控且可移植的方式來訪問底層的I/O服務。
Channel
是一個對象,可以通過它讀取和寫入數據。拿 NIO 與原來的 I/O 做個比較,通道就像是流。所有數據都通過 Buffer
對象來處理。您永遠不會將字節直接寫入通道中,相反,您是將數據寫入包含一個或者多個字節的緩衝區。同樣,您不會直接從通道中讀取字節,而是將數據從通道讀入緩衝區,再從緩衝區獲取這個字節。
Java NIO 的通道類似流,但又有些不同:
- 既可以從通道中讀取數據,又可以寫數據到通道。但流的讀寫通常是單向的。
- 通道可以異步地讀寫。
- 通道中的數據總是要先讀到一個 Buffer,或者總是要從一個 Buffer 中寫入。
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:
下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現: java.nio.channels包中的Channel接口的已知實現類
- FileChannel:從文件中讀寫數據。
- DatagramChannel:能通過UDP讀寫網絡中的數據。
- SocketChannel:能通過TCP讀寫網絡中的數據。
- ServerSocketChannel:可以監聽新進來的TCP連接,像Web服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創建一個SocketChannel。
正如你所看到的,這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO,以及文件IO。
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package java.nio.channels; public abstract class FileChannel extends AbstractChannel implements ByteChannel,
GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel { //
This is a partial API listing //
All methods listed here can throw java.io.IOException public abstract int read
(ByteBuffer dst, long position); public abstract int write
(ByteBuffer src, long position); public abstract long size(); public abstract long position(); public abstract void position
( long newPosition); public abstract void truncate
( long size); public abstract void force
( boolean metaData); public final FileLock
lock(); public abstract FileLock
lock ( long position, long size, boolean shared); public final FileLock
tryLock(); public abstract FileLock
tryLock ( long position, long size, boolean shared); public abstract MappedByteBuffer
map (MapMode mode, long position, long size); public static class MapMode; public static final MapMode
READ_ONLY; public static final MapMode
READ_WRITE; public static final MapMode
PRIVATE; public abstract long transferTo
( long position, long count,
WritableByteChannel target); public abstract long transferFrom
(ReadableByteChannel src, long position, long count); } |
文件通道總是阻塞式的,因此不能被置於非阻塞模式。現代操作系統都有複雜的緩存和預取機制,使得本地磁盤I/O操作延遲很少。網絡文件系統一般而言延遲會多些,不過卻也因該優化而受益。面向流的I/O的非阻塞範例對於面向文件的操作並無多大意義,這是由文件I/O本質上的不同性質造成的。對於文件I/O,最強大之處在於異步I/O(asynchronous I/O),它允許一個進程可以從操作系統請求一個或多個I/O操作而不必等待這些操作的完成。發起請求的進程之後會收到它請求的I/O操作已完成的通知。
FileChannel對象是線程安全(thread-safe)的。多個進程可以在同一個實例上併發調用方法而不會引起任何問題,不過並非所有的操作都是多線程的(multithreaded)。影響通道位置或者影響文件大小的操作都是單線程的(single-threaded)。如果有一個線程已經在執行會影響通道位置或文件大小的操作,那麼其他嘗試進行此類操作之一的線程必須等待。併發行爲也會受到底層的操作系統或文件系統影響。
每個FileChannel對象都同一個文件描述符(file descriptor)有一對一的關係,所以上面列出的API方法與在您最喜歡的POSIX(可移植操作系統接口)兼容的操作系統上的常用文件I/O系統調用緊密對應也就不足爲怪了。本質上講,RandomAccessFile類提供的是同樣的抽象內容。在通道出現之前,底層的文件操作都是通過RandomAccessFile類的方法來實現的。FileChannel模擬同樣的I/O服務,因此它的API自然也是很相似的。
三者之間的方法對比:
FILECHANNEL | RANDOMACCESSFILE | POSIX SYSTEM CALL |
---|---|---|
read( ) | read( ) | read( ) |
write( ) | write( ) | write( ) |
size( ) | length( ) | fstat( ) |
position( ) | getFilePointer( ) | lseek( ) |
position (long newPosition) | seek( ) | lseek( ) |
truncate( ) | setLength( ) | ftruncate( ) |
force( ) | getFD().sync( ) | fsync( ) |
2.Socket通道
新的socket通道類可以運行非阻塞模式並且是可選擇的。這兩個性能可以激活大程序(如網絡服務器和中間件組件)巨大的可伸縮性和靈活性。本節中我們會看到,再也沒有爲每個socket連接使用一個線程的必要了,也避免了管理大量線程所需的上下文交換總開銷。藉助新的NIO類,一個或幾個線程就可以管理成百上千的活動socket連接了並且只有很少甚至可能沒有性能損失。所有的socket通道類(DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel)都繼承了位於java.nio.channels.spi包中的AbstractSelectableChannel。這意味着我們可以用一個Selector對象來執行socket通道的就緒選擇(readiness
selection)。
請注意DatagramChannel和SocketChannel實現定義讀和寫功能的接口而ServerSocketChannel不實現。ServerSocketChannel負責監聽傳入的連接和創建新的SocketChannel對象,它本身從不傳輸數據。
在我們具體討論每一種socket通道前,您應該瞭解socket和socket通道之間的關係。之前的章節中有寫道,通道是一個連接I/O服務導管並提供與該服務交互的方法。就某個socket而言,它不會再次實現與之對應的socket通道類中的socket協議API,而java.net中已經存在的socket通道都可以被大多數協議操作重複使用。
全部socket通道類(DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel)在被實例化時都會創建一個對等socket對象。這些是我們所熟悉的來自java.net的類(Socket、ServerSocket和DatagramSocket),它們已經被更新以識別通道。對等socket可以通過調用socket( )方法從一個通道上獲取。此外,這三個java.net類現在都有getChannel( )方法。
Socket通道將與通信協議相關的操作委託給相應的socket對象。socket的方法看起來好像在通道類中重複了一遍,但實際上通道類上的方法會有一些新的或者不同的行爲。
要把一個socket通道置於非阻塞模式,我們要依靠所有socket通道類的公有超級類:SelectableChannel。就緒選擇(readiness selection)是一種可以用來查詢通道的機制,該查詢可以判斷通道是否準備好執行一個目標操作,如讀或寫。非阻塞I/O和可選擇性是緊密相連的,那也正是管理阻塞模式的API代碼要在SelectableChannel超級類中定義的原因。
設置或重新設置一個通道的阻塞模式是很簡單的,只要調用configureBlocking( )方法即可,傳遞參數值爲true則設爲阻塞模式,參數值爲false值設爲非阻塞模式。真的,就這麼簡單!您可以通過調用isBlocking( )方法來判斷某個socket通道當前處於哪種模式。
非阻塞socket通常被認爲是服務端使用的,因爲它們使同時管理很多socket通道變得更容易。但是,在客戶端使用一個或幾個非阻塞模式的socket通道也是有益處的,例如,藉助非阻塞socket通道,GUI程序可以專注於用戶請求並且同時維護與一個或多個服務器的會話。在很多程序上,非阻塞模式都是有用的。
偶爾地,我們也會需要防止socket通道的阻塞模式被更改。API中有一個blockingLock( )方法,該方法會返回一個非透明的對象引用。返回的對象是通道實現修改阻塞模式時內部使用的。只有擁有此對象的鎖的線程才能更改通道的阻塞模式。
2.2.1 ServerSocketChannel
讓我們從最簡單的ServerSocketChannel來開始對socket通道類的討論。以下是ServerSocketChannel的完整API:
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public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel { public static ServerSocketChannel
open() throws IOException; public abstract ServerSocket
socket(); public abstract ServerSocket
accept() throws IOException; public final int validOps(); } |
ServerSocketChannel是一個基於通道的socket監聽器。它同我們所熟悉的java.net.ServerSocket執行相同的基本任務,不過它增加了通道語義,因此能夠在非阻塞模式下運行。
由於ServerSocketChannel沒有bind( )方法,因此有必要取出對等的socket並使用它來綁定到一個端口以開始監聽連接。我們也是使用對等ServerSocket的API來根據需要設置其他的socket選項。
同它的對等體java.net.ServerSocket一樣,ServerSocketChannel也有accept( )方法。一旦您創建了一個ServerSocketChannel並用對等socket綁定了它,然後您就可以在其中一個上調用accept( )。如果您選擇在ServerSocket上調用accept( )方法,那麼它會同任何其他的ServerSocket表現一樣的行爲:總是阻塞並返回一個java.net.Socket對象。如果您選擇在ServerSocketChannel上調用accept( )方法則會返回SocketChannel類型的對象,返回的對象能夠在非阻塞模式下運行。
如果以非阻塞模式被調用,當沒有傳入連接在等待時,ServerSocketChannel.accept( )會立即返回null。正是這種檢查連接而不阻塞的能力實現了可伸縮性並降低了複雜性。可選擇性也因此得到實現。我們可以使用一個選擇器實例來註冊一個ServerSocketChannel對象以實現新連接到達時自動通知的功能。以下代碼演示瞭如何使用一個非阻塞的accept( )方法:
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package com.ronsoft.books.nio.channels; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; public class ChannelAccept { public static final String
GREETING = "Hello
I must be going.\r\n" ; public static void main
(String [] argv) throws Exception { int port
= 1234 ; //
default if (argv.length
> 0 )
{ port
= Integer.parseInt (argv [ 0 ]); } ByteBuffer
buffer = ByteBuffer.wrap (GREETING.getBytes()); ServerSocketChannel
ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.socket().bind
( new InetSocketAddress
(port)); ssc.configureBlocking
( false ); while ( true )
{ System.out.println
( "Waiting
for connections" ); SocketChannel
sc = ssc.accept(); if (sc
== null )
{ Thread.sleep
( 2000 ); } else { System.out.println
( "Incoming
connection from: " +
sc.socket().getRemoteSocketAddress()); buffer.rewind(); sc.write
(buffer); sc.close(); } } } } |
2.2.2 SocketChannel
下面開始學習SocketChannel,它是使用最多的socket通道類:
Java NIO中的SocketChannel是一個連接到TCP網絡套接字的通道。可以通過以下2種方式創建SocketChannel:
- 打開一個SocketChannel並連接到互聯網上的某臺服務器。
- 一個新連接到達ServerSocketChannel時,會創建一個SocketChannel。
打開 SocketChannel
下面是SocketChannel的打開方式:
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SocketChannel
socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect( new InetSocketAddress( "http://jenkov.com" , 80 )); |
關閉 SocketChannel
當用完SocketChannel之後調用SocketChannel.close()關閉SocketChannel:
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socketChannel.close(); |
從 SocketChannel 讀取數據
要從SocketChannel中讀取數據,調用一個read()的方法之一。以下是例子:
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ByteBuffer
buf = ByteBuffer.allocate( 48 ); int bytesRead
= socketChannel.read(buf); |
首先,分配一個Buffer。從SocketChannel讀取到的數據將會放到這個Buffer中。然後,調用SocketChannel.read()。該方法將數據從SocketChannel 讀到Buffer中。read()方法返回的int值表示讀了多少字節進Buffer裏。如果返回的是-1,表示已經讀到了流的末尾(連接關閉了)。
寫入 SocketChannel
寫數據到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法,該方法以一個Buffer作爲參數。示例如下:
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String
newData = "New
String to write to file..." +
System.currentTimeMillis(); ByteBuffer
buf = ByteBuffer.allocate( 48 ); buf.clear(); buf.put(newData.getBytes()); buf.flip(); while (buf.hasRemaining())
{ channel.write(buf); } |
注意SocketChannel.write()方法的調用是在一個while循環中的。Write()方法無法保證能寫多少字節到SocketChannel。所以,我們重複調用write()直到Buffer沒有要寫的字節爲止。
非阻塞模式
可以設置 SocketChannel 爲非阻塞模式(non-blocking mode).設置之後,就可以在異步模式下調用connect(), read() 和write()了。
connect()
如果SocketChannel在非阻塞模式下,此時調用connect(),該方法可能在連接建立之前就返回了。爲了確定連接是否建立,可以調用finishConnect()的方法。像這樣:
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socketChannel.configureBlocking( false ); socketChannel.connect( new InetSocketAddress( "http://jenkov.com" , 80 )); while (!
socketChannel.finishConnect() ){ //wait,
or do something else... } |
write()
非阻塞模式下,write()方法在尚未寫出任何內容時可能就返回了。所以需要在循環中調用write()。前面已經有例子了,這裏就不贅述了。
read()
非阻塞模式下,read()方法在尚未讀取到任何數據時可能就返回了。所以需要關注它的int返回值,它會告訴你讀取了多少字節。
非阻塞模式與選擇器
非阻塞模式與選擇器搭配會工作的更好,通過將一或多個SocketChannel註冊到Selector,可以詢問選擇器哪個通道已經準備好了讀取,寫入等。Selector與SocketChannel的搭配使用會在後面詳講。
2.2.3 DatagramChannel
最後一個socket通道是DatagramChannel。正如SocketChannel對應Socket,ServerSocketChannel對應ServerSocket,每一個DatagramChannel對象也有一個關聯的DatagramSocket對象。不過原命名模式在此並未適用:“DatagramSocketChannel”顯得有點笨拙,因此採用了簡潔的“DatagramChannel”名稱。
正如SocketChannel模擬連接導向的流協議(如TCP/IP),DatagramChannel則模擬包導向的無連接協議(如UDP/IP)。
DatagramChannel是無連接的。每個數據報(datagram)都是一個自包含的實體,擁有它自己的目的地址及不依賴其他數據報的數據負載。與面向流的的socket不同,DatagramChannel可以發送單獨的數據報給不同的目的地址。同樣,DatagramChannel對象也可以接收來自任意地址的數據包。每個到達的數據報都含有關於它來自何處的信息(源地址)。
最後給出一個基本的channel實例:
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RandomAccessFile
aFile = new RandomAccessFile( "data/nio-data.txt" , "rw" ); FileChannel
inChannel = aFile.getChannel(); ByteBuffer
buf = ByteBuffer.allocate( 48 ); int bytesRead
= inChannel.read(buf); //讀取的字節數,可能爲零,如果該通道已到達流的末尾,則返回
-1 while (bytesRead
!= - 1 )
{ System.out.println( "Read
" +
bytesRead); buf.flip(); //反轉緩衝區 while (buf.hasRemaining()){ System.out.print(( char )
buf.get()); //讀取此緩衝區當前位置的字節,然後該位置遞增。 }
buf.clear(); bytesRead
= inChannel.read(buf); //從緩衝區讀取數據 }
aFile.close(); |
引用鏈接:感謝文章內容的原創作者;
1.http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO
2.Java NIO中文版
3.http://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html
4.http://www.yangyong.me/java-nio%E5%85%A5%E9%97%A8%E4%B8%8E%E8%AF%A6%E8%A7%A3/
5.http://ifeve.com/socket-channel/