1)java nio简介

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

    2)java nio非阻塞原理

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。

3)Buffer结构、主要方法

Buffer内部结构如图:

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)

     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,支持异步 I/O 。chanel与Buffer关系如下:

Buffer、Chanel使用例子:

  • 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);
  • }
  • }
  • }

     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。

  1. package nio.readpage;
  2. import java.nio.ByteBuffer;
  3. import java.nio.channels.SocketChannel;
  4. import java.nio.charset.Charset;
  5. import java.net.InetSocketAddress;
  6. import java.io.IOException;
  7. public class BaiduReader {
  8. private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建GBK字符集
  9. private SocketChannel channel;
  10. public void readHTMLContent() {
  11. try {
  12. InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
  13. "www.baidu.com", 80);
  14. //step1:打开连接
  15. channel = SocketChannel.open(socketAddress);
  16. //step2:发送请求,使用GBK编码
  17. channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
  18. //step3:读取数据
  19. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲
  20. while (channel.read(buffer) != -1) {
  21. buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
  22. System.out.println(charset.decode(buffer));
  23. // 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
  24. buffer.clear();// 清空缓冲
  25. }
  26. } catch (IOException e) {
  27. System.err.println(e.toString());
  28. } finally {
  29. if (channel != null) {
  30. try {
  31. channel.close();
  32. } catch (IOException e) {
  33. }
  34. }
  35. }
  36. }
  37. public static void main(String[] args) {
  38. new BaiduReader().readHTMLContent();
  39. }
  40. }

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