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Java中IO的NIO通道解析

更新時間：2024年01月23日 09:05:40 作者：碼靈

這篇文章主要介紹了Java中IO的NIO通道解析,NIO 提供了與傳統(tǒng) BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相對應的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 兩種不同的套接字通道實現(xiàn),需要的朋友可以參考下

概述

NIO 中的 N 可以理解為 Non-blocking，一種同步非阻塞的 I/O 模型，在 Java 1.4 中引入，對應的在java.nio包下。

NIO 新增了 Channel、Selector、Buffer 等抽象概念，支持面向緩沖、基于通道的 I/O 操作方法。

NIO 提供了與傳統(tǒng) BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相對應的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 兩種不同的套接字通道實現(xiàn)。

NIO 這兩種通道都支持阻塞和非阻塞兩種模式。阻塞模式使用就像傳統(tǒng)中的支持一樣，比較簡單，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好與之相反。

對于低負載、低并發(fā)的應用程序，可以使用同步阻塞 I/O 來提升開發(fā)效率和更好的維護性；對于高負載、高并發(fā)的（網(wǎng)絡）應用，應使用 NIO 的非阻塞模式來開發(fā)。

正文

我們先看一下 NIO 涉及到的核心關聯(lián)類圖，如下：

上圖中有三個關鍵類：Channel 、Selector 和 Buffer，它們是 NIO 中的核心概念。

Channel：可以理解為通道；
Selector：可以理解為選擇器；
Buffer：可以理解為數(shù)據(jù)緩沖流；

NIO 引入了 Channel、Buffer 和 Selector 就是想把 IO 傳輸過程中涉及到的信息具體化，讓程序員有機會去控制它們。

當我們進行傳統(tǒng)的網(wǎng)絡 IO 操作時，比如調(diào)用 write() 往 Socket 中的 SendQ 隊列寫數(shù)據(jù)時，當一次寫的數(shù)據(jù)超過 SendQ 長度時，操作系統(tǒng)會按照 SendQ 的長度進行分割的，這個過程中需要將用戶空間數(shù)據(jù)和內(nèi)核地址空間進行切換，而這個切換不是程序員可以控制的，由底層操作系統(tǒng)來幫我們處理。

而在 Buffer 中，我們可以控制 Buffer 的 capacity（容量），并且是否擴容以及如何擴容都可以控制。

代碼示例

實例圖：

客戶端程序示例：

package org.example.nio.example;
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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
 * NIO客戶端
 */
public class NIOClient {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 創(chuàng)建通道SocketChannel
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 將通道設置為非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 客戶端連接服務器，其實方法執(zhí)行并沒有實現(xiàn)連接，需要在handleConnect方法中調(diào)channel.finishConnect()才能完成連接
        channel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9090));
        /**
         * 將通道(Channel)注冊到通道管理器(Selector)，并為該通道注冊selectionKey.OP_CONNECT
         * 注冊該事件后，當事件到達的時候，selector.select()會返回，
         * 如果事件沒有到達selector.select()會一直阻塞。
         */
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 循環(huán)處理
        while (true) {
            /*
             * 選擇一組可以進行I/O操作的事件，放在selector中，客戶端的該方法不會阻塞，
             * selector的wakeup方法被調(diào)用，方法返回，而對于客戶端來說，通道一直是被選中的
             * 這里和服務端的方法不一樣，查看api注釋可以知道，當至少一個通道被選中時。
             */
            selector.select();
            // 獲取監(jiān)聽事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代處理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 獲取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重復處理
                iterator.remove();
                // 檢查是否是一個就緒的已經(jīng)連接服務端成功事件
                if (key.isConnectable()) {
                    handleConnect(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 檢查套接字是否已經(jīng)準備好讀數(shù)據(jù)
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 處理客戶端連接服務端成功事件
     */
    private static void handleConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        // 獲取與服務端建立連接的通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        if (channel.isConnectionPending()) {
            // channel.finishConnect()才能完成連接
            channel.finishConnect();
        }
        channel.configureBlocking(false);
        // 數(shù)據(jù)寫入通道
        String msg = "Hello Server!";
        channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 通道注冊到選擇器，并且這個通道只對讀事件感興趣
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    /**
     * 監(jiān)聽到讀事件，讀取客戶端發(fā)送過來的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 輸出服務端響應發(fā)送過來的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服務端發(fā)來的消息：" + msg);
    }
}

服務端示例：

package org.example.nio.example;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
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.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
 * NIO服務端
 */
public class NIOServer {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 創(chuàng)建通道ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 將通道設置為非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 將ServerSocketChannel對應的ServerSocket綁定到指定端口(port)
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9090));
        /**
         * 將通道(Channel)注冊到通道管理器(Selector)，并為該通道注冊selectionKey.OP_ACCEPT事件
         * 注冊該事件后，當事件到達的時候，selector.select()會返回，
         * 如果事件沒有到達selector.select()會一直阻塞。
         */
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 循環(huán)處理
        while (true) {
            // 當注冊事件到達時，方法返回，否則該方法會一直阻塞
            selector.select();
            // 獲取監(jiān)聽事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代處理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 獲取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重復處理
                iterator.remove();
                // 檢查是否是一個就緒的可以被接受的客戶端請求連接
                if (key.isAcceptable()) {
                    handleAccept(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 檢查套接字是否已經(jīng)準備好讀數(shù)據(jù)
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 處理客戶端連接成功事件
     */
    private static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        // 獲取客戶端連接通道
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = server.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 信息通過通道發(fā)送給客戶端
        String msg = "Hello Client!";
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 給通道設置讀事件，客戶端監(jiān)聽到讀事件后，進行讀取操作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    /**
     * 監(jiān)聽到讀事件，讀取客戶端發(fā)送過來的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 輸出客戶端發(fā)送過來的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("server received msg from client：" + msg);
    }
}

通道channel

NIO 的核心就是通道和緩存區(qū)，所以它們的工作模式是這樣的：

通道有點類似 IO 中的流，但不同的是，同一個通道既允許讀也允許寫，而任意一個流要么是讀流要么是寫流。但是你要明白一點，通道和流一樣都是需要基于物理文件的，而每個流或者通道都通過文件指針操作文件，這里說的通道是雙向的也是有前提的，那就是通道基于隨機訪問文件RandomAccessFile的可讀可寫文件指針。

基本的通道類型有如下一些：

FileChannel 是基于文件的通道；

SocketChannel 和 ServerSocketChannel 用于網(wǎng)絡 TCP 套接字數(shù)據(jù)報讀寫；

DatagramChannel 是用于網(wǎng)絡 UDP 套接字數(shù)據(jù)報讀寫。

通道不能單獨存在，它永遠需要綁定一個緩存區(qū)，所有的數(shù)據(jù)只會存在于緩存區(qū)中，無論你是寫或是讀，必然是緩存區(qū)通過通道到達磁盤文件，或是磁盤文件通過通道到達緩存區(qū)。即緩存區(qū)是數(shù)據(jù)的起點，也是終點。

緩存區(qū)Buffer

緩沖區(qū)（Buffer）：一個用于特定基本數(shù)據(jù)類型的容器。由java.nio包定義的，所有緩沖區(qū)都是Buffer抽象類的子類。

Java NIO 中的 Buffer 主要用于和 NIO 通道進行交互，數(shù)據(jù)是從通道讀入到緩沖區(qū)的，然后從緩沖區(qū)中寫入到通道中的。

Buffer 就像一個數(shù)組，可以保存多個相同類型的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同（boolean）除外，有以下 Buffer 常用子類：ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。上述 Buffer 類他們都是通過相似的方法進行管理數(shù)據(jù)的，只是各自管理的數(shù)據(jù)類型不同而已。都是通過如下的方法獲取一個 Buffer 對象：

public static XxxBuffer allocate(int capacity) {}

緩沖區(qū)的基本屬性

容量（capacity）：表示 Buffer 最大數(shù)據(jù)容量，緩沖區(qū)容量不能為負，并且一旦創(chuàng)建不能更改。
限制（limit）：第一個不應該讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)的索引，即位于 limit 后的數(shù)據(jù)不可讀寫。緩沖區(qū)的限制不能為負，并且不能大于容量。
位置（position）：下一個要讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)的索引。緩沖區(qū)的位置不能為負，并且不能大于其限制。
標記（mark）和重置（reset）：標記是一個索引，通過Buffer中的mark()方法指定Buffer中的一個特定的position，之后可以通過調(diào)用reset()方法恢復到這個position。

簡而言之：0 <= mark <= position <= limit <= capacity。

Selector(選擇器)

Selector 被稱為選擇器，當然你也可以翻譯為多路復用器。它是Java NIO 核心組件中的一個，用于檢查一個或多個 Channel（通道）的狀態(tài)是否處于連接就緒、接受就緒、可讀就緒、可寫就緒。

如此可以實現(xiàn)單線程管理多個 channels，也就是可以管理多個網(wǎng)絡連接。

使用 Selector 的好處在于： 相比傳統(tǒng)方式使用多個線程來管理 IO，Selector 使用了更少的線程就可以處理通道了，并且實現(xiàn)網(wǎng)絡高效傳輸！

創(chuàng)建一個選擇器一般是通過 Selector 的工廠方法，Selector.open ：

Selector selector = Selector.open();

而一個通道想要注冊到某個選擇器中，必須調(diào)整模式為非阻塞模式，例如：

//創(chuàng)建一個 TCP 套接字通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
//調(diào)整通道為非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//向選擇器注冊一個通道
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

以上代碼是注冊一個通道到選擇器中的最簡單版本，支持注冊選擇器的通道都有一個 register 方法，該方法就是用于注冊當前實例通道到指定選擇器的。

該方法的第一個參數(shù)就是目標選擇器，第二個參數(shù)其實是一個二進制掩碼，它指明當前選擇器感興趣當前通道的哪些事件。以枚舉類型提供了以下幾種取值：

int OP_READ = 1 << 0;
int OP_WRITE = 1 << 2;
int OP_CONNECT = 1 << 3;
int OP_ACCEPT = 1 << 4;

這種用二進制掩碼來表示某些狀態(tài)的機制，我們在講述虛擬機類類文件結(jié)構(gòu)的時候也遇到過，它就是用一個二進制位來描述一種狀態(tài)。

register 方法會返回一個 SelectionKey 實例，該實例代表的就是選擇器與通道的一個關聯(lián)關系。你可以調(diào)用它的 selector 方法返回當前相關聯(lián)的選擇器實例，也可以調(diào)用它的 channel 方法返回當前關聯(lián)關系中的通道實例。

除此之外，SelectionKey 的 readyOps 方法將返回當前選擇感興趣當前通道中事件中準備就緒的事件集合，依然返回的一個整型數(shù)值，也就是一個二進制掩碼。

例如：

int readySet = selectionKey.readyOps();

假如 readySet 的值為 13，二進制「0000 1101」，從后向前數(shù)，第一位為 1，第三位為 1，第四位為 1，那么說明選擇器關聯(lián)的通道，讀就緒、寫就緒，連接就緒。

所以，當我們注冊一個通道到選擇器之后，就可以通過返回的 SelectionKey 實例監(jiān)聽該通道的各種事件。

當然，一旦某個選擇器中注冊了多個通道，我們不可能一個一個的記錄它們注冊時返回的 SelectionKey 實例來監(jiān)聽通道事件，選擇器應當有方法返回所有注冊成功的通道相關的 SelectionKey 實例。

Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

selectedKeys 方法會返回選擇器中注冊成功的所有通道的 SelectionKey 實例集合。我們通過這個集合的 SelectionKey 實例，可以得到所有通道的事件就緒情況并進行相應的處理操作。

總結(jié)

優(yōu)點

1個線程就行就能處理所有連接，這個線程不停循環(huán)遍歷就行了。

缺點

單線程不停循環(huán)發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，一樣會耗盡 CPU 資源。

NIO 的瓶頸

在于需要不停的調(diào)起系統(tǒng)調(diào)用，每個鏈接我們都要調(diào)系統(tǒng)調(diào)用詢問是否有過來數(shù)據(jù)，我們要是明確的知道哪個連接有數(shù)據(jù)包過來呢，就不用挨個遍歷尋找找答案了。

到此這篇關于Java中IO的NIO通道解析的文章就介紹到這了,更多相關NIO通道解析內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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Java中IO的NIO通道解析

目錄

概述

正文

代碼示例

通道channel

緩存區(qū)Buffer

緩沖區(qū)的基本屬性

Selector(選擇器)

總結(jié)

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