NIO系列(一) 核心概念介紹

1. 核心概念概述

  近期又深入學習了一下NIO，預計寫幾篇NIO相關的博客作爲知識總結，博客內容主要爲筆者個人理解，如果錯誤望指正。
  Java NIO是JDK1.4引入的新語法，與傳統IO不同，NIO是非阻塞且面向緩衝區(buffer)的編程。NIO有三個核心概念：Channel、Buffer與Select。
  Channel: 表示IO源與目標（例如：文件、套接字）打開的連接。
  Buffer: 表示緩衝區，應用程序都是通過buffer從channel中讀寫數據的，永遠不可能直接從channel讀寫數據。
  Selector: 選擇器，是channel對象的多路複用器，可以監聽多個channel的IO狀態。應用程序可以通過selector獲取自己感興趣的IO事件，然後執行對應的業務邏輯。因此Selector多用在網絡編程中(例如多個client通過tcp連接一個server端)，而本地文件讀寫通常用不到。
  三者的關係如下：

2. Channel介紹

2.1作用
  channel即管道，buffer中的數據可以通過channel進行傳輸，類似於傳統IO總的stream，與stream不同的是channel是雙向的。由於channel是雙向的，他能更好的反映出底層操作系統的真實狀況，因爲底層操作系統的通道就是雙向的。

2.2 主要實現類

實現類	概念
FileChannel	用於本地讀取、寫入、映射和操作文件的通道
DatagramChannel	通過UDP讀寫網絡中的數據通道
SocketChannel	通過TCP讀寫網絡中的數據通道
ServerSocketChannel	可以監聽新進來的TCP連接，對每一個新進來的連接都會創建一個SocketChannel

2.3 channel用法

FileInputStream inputStream = new FileInputStream("test.txt");
// 從stream中獲取channel
FileChannel channel = inputStream.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
// 通過channel，把文件的內容寫入buffer
channel.read(buffer);

3. Buffer介紹

3.1 作用
   buffer即緩衝區，數據的載體，如：應用程序向目標(文件、套接字)寫入數據，那麼先將內容寫入buffer，buffer通過channel的傳輸寫入目標。若將channel比做高速公路，那麼buffer可以理解爲汽車。

3.2 實現類
   Buffer本質上就是一塊內存，底層是通過數組實現的，通過數組存儲同一類型的數據,java針對主要基本類型都有具體的buffer實現(注意: boolean類型除外)，如ByteBuffer、CharBuffer 、ShortBuffer 、IntBuffer 、LongBuffer 、FloatBuffer 、DoubleBuffer。

3.3 用法
下面以從文件讀取數據打印爲例，簡單說明buffer的用法。

	FileInputStream inputStream = new FileInputStream("test.txt");
	FileChannel channel = inputStream.getChannel();
	// 創建buffer
	ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);
	// 從管道中把文件內容寫入buffer
	channel.read(buffer);
	// buffer讀入數據後，索引屬性發生變化，需要通過flip方法重置後才能讀取
	buffer.flip();
	// 把buffer內容打印出來
	while (buffer.remaining() > 0) {
	    byte b = buffer.get();
	    System.out.println("charactre: " + (char) b);
	}
	inputStream.close();

3.4 基本屬性介紹

名稱	概念
capacity	表示Buffer最大的數據容量，緩衝區的容量不能爲負數，而且一旦創建，不可修改
limit	緩衝區中當前的數據量，即位於limit之後的數據不可讀寫
position	下一個要讀取或寫入的數據的索引
mark	調用mark()方法來記錄一個特定的位置：mark=position，然後再調用reset()可以讓position恢復到標記的位置即position=mark

  下面通過圖示的方式，講解讀取過程中，各屬性的變化。當初始化一個buffer(容量爲64的)時，position=0，limit和capacity指向buffer數組結尾的後一個虛擬位置，屬性如下：

  假設文件只有三個字節，全部讀入buffer後，position=3，position和capacity不變，如下：

  此時如果想把buffer中的三個數據讀出來，必須調用flip方法，因爲position此時指向3，position只能向右移動，而右邊是沒有數據的，所以必須把position指向0，同時需要標明最大可以讀取到哪個位置，因此需要把limit指向3，此時屬性如下：

  flip方法的源碼如下，和我們分析的一致，先將limit指向position，再將position指向0：

 	public final Buffer flip() {
   		limit = position;
    	position = 0;
    	mark = -1;
    	return this;
	}

  mark屬性請看描述，這裏不再贅述。

4. Selector介紹

4.1 作用
   selector是通道(SelectableChannel)的多路複用器，selector可以監聽多個已註冊通道的IO狀態，應用程序可以設置需要監聽的IO狀態類型。在傳統io中，通過soeket建立的連接，如果想實現監聽多個連接的IO狀態，那麼必須一個線程對應一個socket連接，當連接多了以後必定造成線程的增多，從而導致大量線程上下文切換的開銷。但是通過selector可以實現一個線程監聽多個連接，從而大大減少了線程的數量以及線程切換的開銷。
   上面提到的SelectableChannel，是指一個支持selector進行狀態檢查的抽象類，在java api中，ServerSocketChannel、SocketChannel都繼承了該類，但是fileChannel這種不需要監聽狀態的channel沒有繼承。
   selectableChannel在Selector中註冊的標識.每個Channel向Selector註冊時,都將會創建一個selectionKey，selectionKey 將Channel與Selector建立了關係,並維護了channel事件。

4.2 selector的創建
   通過Selector的靜態方法open()進行創建

	Selector selector = Selector.open();

   通過源碼簡單介紹下創建過程，open()的源碼如下：

	public static Selector open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openSelector();
    }

   可以看出，首先獲取SelectorProvider，然後再獲取Selector。先看下SelectorProvider.provider()的邏輯，源碼如下：

	public static SelectorProvider provider() {
        synchronized (lock) {
            if (provider != null)
                return provider;
            return AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
                    public SelectorProvider run() {
                            if (loadProviderFromProperty())
                                return provider;
                            if (loadProviderAsService())
                                return provider;
                            provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
                            return provider;
                        }
                    });
        }
    }

   此方法返回Java虛擬系統範圍默認的SelectorProvider，從方法註釋可以看到，首先如果系統定義了java.nio.channels.spi.SelectorProvider屬性，那麼直接通過反射實例化該類並返回，否則，返回sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create()，create()方法返回WindowsSelectorProvider，由於我自己看的源碼不是openjdk，因此在類庫中根本就沒有sun.nio.ch這個包。因此，SelectorProvider.provider()方法返回的是WindowsSelectorProvider，WindowsSelectorProvider的openSelector方法返回的是WindowsSelectorImpl，需要下載openJdk才能看到源碼，源碼如下：

	public class WindowsSelectorProvider extends SelectorProviderImpl {
          public AbstractSelector openSelector() throws IOException {
             return new WindowsSelectorImpl(this);
         }
  	}

4.3 selector用法
  後續介紹網絡編程時詳解介紹。