Java基础--NIO

NIO库在JDK1.4中引入，它以标准Java代码提供了高速的，面向块的IO，弥补了之前同步IO的不足。

缓冲区Buffer

Buffers是一个对象，包含了一些要写入或读出的数据。在面向流的IO模型中，数据是直接写入或读出到Stream对象中的，在NIO中，所有数据都是用缓冲区处理的，在读取数据时，数据直接读到缓冲区中，写入数据时直接写到缓冲区，在任何时候访问NIO中的数据都要通过缓冲区。缓冲区是基于数组实现的，同时提供了对数据的结构化访问并且维护了读写位置。一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组，每种Java类型都对应了一种缓冲区：CharBuffer字符缓冲区，Shortbuffer短整型缓冲区，IntBuffer整型缓冲区，LongBuffer长整型缓冲区，FloatBuffer浮点型缓冲区，DoubleBuffer双精度浮点缓冲区。每一个Buffer类都是Buffer接口的子实例，每一个Buffer类都有完全一样的操作，只是操作的数据类型不一样，ByteBuffer在一般缓冲区操作外提供了一些特有的操作。

缓冲区是包在一个对象内的基本数据元素数组，其有四个重要属性

容量（ Capacity）：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量，容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变。

上界（Limit）：缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说，缓冲区中现存元素的计数。

位置（Position）：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。 　　　　

标记（Mark）：一个备忘位置。调用 mark( )来设定 mark = postion。调用 reset( )设定 position = mark。标记在设定前是未定义的(undefined)。

四个属性之间的关系如下：　　　　0 <= mark <= position <= limit <= capacity

初始时，mark未被设定，position为0，capacity为10，limit为10，第一个元素存放至position为0的位置，capacity不变，其他三个属性会变化。position在调用 put()时，会自动指出了下一个数据元素应该被插入的位置，或者当 get()被调用时指出下一个元素应从何处取出。当put完数据后需要读取时，需要调用flip函数，其将limit设置为position，然后将position设置为0， 之后开始读取。

buffer常见方法如下:

• 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。

通道Channel

Channel是一个通道，如水管一样，网络数据通过Channel读取和写入，通道是双向的，流是单向的，一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类，通道可以用于读写同时进行，所以它是全双工的。Channel可以分为两大类，用于网络读写的SelectableChannel和用于文件操作的FileChannel，ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类。

Channel接口类只定义了两个方法（isOpen和close），分别表示通道是否打开和关闭通道，具体细节需要子类实现。　　　

　　IO操作可分为File IO和Stream IO，对应通道也有它们是文件（ file）通道和套接字（ socket）通道 。通道可以有多种方式创建。Socket 通道有可以直接创建新 socket 通道的工厂方法。但File通道不能直接创建，只能通过在一个打开的RandomAccessFile、FileInputStream或FileOutputStream的对象上调用getChannel( )方法来获取。

　　通道将数据传输给 ByteBuffer 对象或者从 ByteBuffer 对象获取数据进行传输，通道可以是单向或者双向的。一个 channel 类可能实现定义read( )方法的 ReadableByteChannel 接口，而另一个 channel 类也许实现 WritableByteChannel 接口以提供 write( )方法。实现这两种接口其中之一的类都是单向的，一个类同时实现这两个接口，那么它是双向的，如ByteChannel 接口。从 FileInputStream 对象的getChannel( )方法获取的 FileChannel 对象是只读的，不过从接口声明的角度来看却是双向的，因为FileChannel 实现 ByteChannel 接口。在这样一个通道上调用 write( )方法将抛出未经检查的NonWritableChannelException 异常，因为 FileInputStream 对象总是以 read-only 的权限打开文件。

　　通道会连接一个特定 I/O 服务且通道实例（ channel instance）的性能受它所连接的 I/O 服务的特征限制。如一个连接到只读文件的 Channel 实例不能进行写操作，即使该实例所属的类可能有 write( )方法。

　　通道可以以阻塞（ blocking）或非阻塞（ nonblocking）模式运行，非阻塞模式的通道永远不会让调用的线程休眠。请求的操作要么立即完成，要么返回一个结果表明未进行任何操作。只有面向流的（ stream-oriented）的通道，如 sockets 和 pipes 才能使用非阻塞模式。通道不能被重复使用，一个打开的通道即代表与一个特定 I/O 服务的特定连接并封装该连接的状态。当通道关闭时，连接会丢失，通道将不再连接任何东西。

1. FileChannel写文件，读文件

public class FileChannelTest {

    static void write() throws IOException {
        File file = new File("test");
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(file);
        FileChannel channel = outputStream.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        String string = "123 456 abcd EFG !@#$% 测试";
        buffer.put(string.getBytes());
        buffer.flip();
        channel.write(buffer);
        channel.close();
        outputStream.close();
    }

    static void read() throws IOException {
        File file = new File("test.txt");
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);
        FileChannel channel = inputStream.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();
        String string = new String(buffer.array());
        System.out.print(string);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        write();
        read();
    }
}

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2.使用Channel接收和发送数据

public class ChannelServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        int count = 0;
        SocketChannel socketChannel = null;
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
        while (count < 20) {
            if (socketChannel == null) {
                socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            } else {
                count++;
                byteBuffer.clear();
                socketChannel.read(byteBuffer);
                byteBuffer.flip();
                String message = getString(byteBuffer);
                System.out.println(count + " server received: " + message);

                byteBuffer.clear();
                byteBuffer.put(message.getBytes());
                byteBuffer.flip();
                socketChannel.write(byteBuffer);
                System.out.println(count + " server send: " + message);
            }
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
        }

        serverSocketChannel.close();
    }

    public static String getString(ByteBuffer buffer) {
        Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
        CharBuffer charBuffer = charset.decode(buffer);
        return charBuffer.toString();
    }

}

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public class ChannelClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
        int count = 0;
        while (count < 20) {
            count++;
            String message = "message " + count;
            byteBuffer.clear();
            byteBuffer.put(message.getBytes());
            byteBuffer.flip();
            socketChannel.write(byteBuffer);
            System.out.println(count + " client send: " + message);

            byteBuffer.clear();
            int readBytes = socketChannel.read(byteBuffer);
            if (readBytes > 0) {
                byteBuffer.flip();
                System.out.println(count + " client receive: " + getString(byteBuffer));
            }
        }

        socketChannel.close();
    }

    public static String getString(ByteBuffer buffer) {
        Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
        CharBuffer charBuffer = charset.decode(buffer.asReadOnlyBuffer());
        return charBuffer.toString();
    }

}

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多路复用Selector

Selector是NIO的基础，Selector提供了选择已经就绪的任务的能力，它会不断的轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上发生读或者写事件，这个Channel就出于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectingKey可以获取就绪的Channel集合，进行后续的IO操作。一个Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄的限制。

选择器管理一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态，通道和选择器一起被注册，并且选择器可更新通道的就绪状态，也可将被唤醒的线程挂起，直到有通道就绪。

　　SelectableChannel 可被注册到 Selector 对象上，同时可以指定对那个选择器而言，哪种操作是感兴趣的。一个通道可以被注册到多个选择器上，但对每个选择器而言，只能被注册一次，通道在被注册到一个选择器上之前，必须先设置为非阻塞模式，通过调用通道的configureBlocking(false)方法即可。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式，而套接字通道都可以。

　　选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系，选择键对象被SelectableChannel.register( ) 方法返回并提供一个表示这种注册关系的标记。选择键包含了两个比特集（以整数的形式进行编码），指示了该注册关系所关心的通道操作及通道已经准备好的操作。

3. 使用Selector发送和接收数据

package com.luangeng.jdk.nio;

import com.luangeng.utils.Q;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class NioServer {

    private static final Charset charset = Charset.forName("UTF-8");

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        int count = 0;

        int msgValue = 0;

        //打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，是所有客户端连接的父管道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();

        //绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        serverChannel.configureBlocking(false);

        //创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程
        Selector selector = Selector.open();

        //将SercerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上监听ACCEPT事件
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            //多路复用器在线程run方法中无限循环体内轮询准备就绪的Key
            int num = selector.select();
            if (num == 0) {
                continue;
            }

            Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                count++;
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();

                if (key.isAcceptable()) {
                    //多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路
                    SocketChannel channel = serverChannel.accept();

                    //设置客户端链路为非阻塞状态
                    channel.configureBlocking(false);
                    channel.socket().setReuseAddress(true);

                    //将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络信息
                    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
                    Q.p("accept: " + channel.getRemoteAddress());
                }
                if (key.isReadable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    //异步读取客户端请求消息到缓冲区
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    channel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    String msg = charset.decode(buffer).toString();
                    Q.p(count + " Server receive: " + msg);
                    msgValue = Integer.valueOf(msg.trim()) + 1;
                    buffer.clear();
                }
                if (key.isValid() && key.isWritable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    channel.write(charset.encode("" + msgValue));
                    Q.p(count + " Server send: " + msgValue);
                }

                Q.p();
                it.remove();
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            }
            //if (msgValue==100){
            //    break;
            //}
        }

        //关闭
        //selector.close();
        //serverChannel.close();
    }

}

---

package com.luangeng.jdk.nio;

import com.luangeng.utils.Q;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class NioClient {

    private static final int BUFFER_SIZE = 1024;

    private static final Charset charset = Charset.forName("UTF-8");

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        int count = 0;
        int msgValue = 0;

        //打开SocketChannel，绑定客户端本地地址（可选，默认系统会随机分配一个可用的本地地址）
        SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();

        //设置SocketChannel为非阻塞模式，同时设置客户端连接的TCP参数
        clientChannel.configureBlocking(false);

        Socket socket = clientChannel.socket();
        socket.setReuseAddress(true);
        socket.setReceiveBufferSize(BUFFER_SIZE);
        socket.setSendBufferSize(BUFFER_SIZE);

        //创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程
        Selector selector = Selector.open();

        //异步连接服务端
        boolean connected = clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        //向Reactor线程的多路复用器注册OP_CONNECT状态位，监听服务器端的TCP ACK应答
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

        while (true) {
            //多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的Key
            int num = selector.select();
            if (num == 0) {
                continue;
            }

            Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                count++;
                SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();

                //接收connect事件进行处理
                if (key.isConnectable()) {
                    //判断连接成功，如果成功，注册读事件到多路复用器
                    if (clientChannel.finishConnect()) {
                        Q.p("connect success");
                        //clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
                        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
                    }
                }

                if (key.isReadable()) {
                    //异步读取客户端请求消息到缓冲区
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    clientChannel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    String msg = charset.decode(buffer).toString();
                    Q.p(count + " Client receive: " + msg);
                    msgValue = Integer.valueOf(msg.trim()) + 1;
                    buffer.clear();
                }
                if (key.isValid() && key.isWritable()) {
                    //调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端
                    clientChannel.write(charset.encode("" + msgValue));
                    Q.p(count + " Client send: " + msgValue);
                }

                Q.p();
                it.remove();
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            }
            if (msgValue == 20) {
                clientChannel.finishConnect();
                Q.p("finish");
                //break;
            }
        }

        //关闭连接
        //selector.close();
        //clientChannel.close();
    }

}

---

输出：

end