快速了解Java中NIO核心組件

背景知識

同步、異步、阻塞、非阻塞

首先，這幾個概念非常容易搞混淆，但NIO中又有涉及，所以總結一下。

同步：API調用返回時調用者就知道操作的結果如何了（實際讀取/寫入了多少字節）。

異步：相對于同步，API調用返回時調用者不知道操作的結果，后面才會回調通知結果。

阻塞：當無數據可讀，或者不能寫入所有數據時，掛起當前線程等待。

非阻塞：讀取時，可以讀多少數據就讀多少然后返回，寫入時，可以寫入多少數據就寫入多少然后返回。

對于I/O操作，根據Oracle官網的文檔，同步異步的劃分標準是“調用者是否需要等待I/O操作完成”，這個“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要讀取到數據或者說寫入所有數據，而是指真正進行I/O操作時，比如數據在TCP/IP協議棧緩沖區和JVM緩沖區之間傳輸的這段時間，調用者是否要等待。

所以，我們常用的read()和write()方法都是同步I/O，同步I/O又分為阻塞和非阻塞兩種模式，如果是非阻塞模式，檢測到無數據可讀時，直接就返回了，并沒有真正執行I/O操作。

總結就是，Java中實際上只有同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O與異步I/O三種機制，我們下文所說的是前兩種，JDK1.7才開始引入異步I/O，那稱之為NIO.2。

傳統IO

我們知道，一個新技術的出現總是伴隨著改進和提升，JavaNIO的出現亦如此。

傳統I/O是阻塞式I/O，主要問題是系統資源的浪費。比如我們為了讀取一個TCP連接的數據，調用InputStream的read()方法，這會使當前線程被掛起，直到有數據到達才被喚醒，那該線程在數據到達這段時間內，占用著內存資源（存儲線程棧）卻無所作為，也就是俗話說的占著茅坑不拉屎，為了讀取其他連接的數據，我們不得不啟動另外的線程。在并發連接數量不多的時候，這可能沒什么問題，然而當連接數量達到一定規模，內存資源會被大量線程消耗殆盡。另一方面，線程切換需要更改處理器的狀態，比如程序計數器、寄存器的值，因此非常頻繁的在大量線程之間切換，同樣是一種資源浪費。

隨著技術的發展，現代操作系統提供了新的I/O機制，可以避免這種資源浪費。基于此，誕生了JavaNIO，NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。緊接著我們發現，簡單的使用非阻塞I/O并不能解決問題，因為在非阻塞模式下，read()方法在沒有讀取到數據時就會立即返回，不知道數據何時到達的我們，只能不停的調用read()方法進行重試，這顯然太浪費CPU資源了，從下文可以知道，Selector組件正是為解決此問題而生。

JavaNIO核心組件

1.Channel

概念

JavaNIO中的所有I/O操作都基于Channel對象，就像流操作都要基于Stream對象一樣，因此很有必要先了解Channel是什么。以下內容摘自JDK1.8的文檔

Achannelrepresentsanopenconnectiontoanentitysuchasahardwaredevice,afile,anetworksocket,oraprogramcomponentthatiscapableofperformingoneormoredistinctI/Ooperations,forexamplereadingorwriting.

從上述內容可知，一個Channel（通道）代表和某一實體的連接，這個實體可以是文件、網絡套接字等。也就是說，通道是JavaNIO提供的一座橋梁，用于我們的程序和操作系統底層I/O服務進行交互。

通道是一種很基本很抽象的描述，和不同的I/O服務交互，執行不同的I/O操作，實現不一樣，因此具體的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起來跟Stream比較像，可以讀取數據到Buffer中，也可以把Buffer中的數據寫入通道。

當然，也有區別，主要體現在如下兩點：

一個通道，既可以讀又可以寫，而一個Stream是單向的（所以分InputStream和OutputStream）

通道有非阻塞I/O模式

實現

JavaNIO中最常用的通道實現是如下幾個，可以看出跟傳統的I/O操作類是一一對應的。

FileChannel：讀寫文件

DatagramChannel:UDP協議網絡通信

SocketChannel：TCP協議網絡通信

ServerSocketChannel：監聽TCP連接

2.Buffer

NIO中所使用的緩沖區不是一個簡單的byte數組，而是封裝過的Buffer類，通過它提供的API，我們可以靈活的操縱數據，下面細細道來。

與Java基本類型相對應，NIO提供了多種Buffer類型，如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等，區別就是讀寫緩沖區時的單位長度不一樣（以對應類型的變量為單位進行讀寫）。

Buffer中有3個很重要的變量，它們是理解Buffer工作機制的關鍵，分別是

capacity（總容量）

position（指針當前位置）

limit（讀/寫邊界位置）

Buffer的工作方式跟C語言里的字符數組非常的像，類比一下，capacity就是數組的總長度，position就是我們讀/寫字符的下標變量，limit就是結束符的位置。Buffer初始時3個變量的情況如下圖

在對Buffer進行讀/寫的過程中，position會往后移動，而limit就是position移動的邊界。由此不難想象，在對Buffer進行寫入操作時，limit應當設置為capacity的大小，而對Buffer進行讀取操作時，limit應當設置為數據的實際結束位置。（注意：將Buffer數據寫入通道是Buffer讀取操作，從通道讀取數據到Buffer是Buffer寫入操作）

在對Buffer進行讀/寫操作前，我們可以調用Buffer類提供的一些輔助方法來正確設置position和limit的值，主要有如下幾個

flip():設置limit為position的值，然后position置為0。對Buffer進行讀取操作前調用。

rewind():僅僅將position置0。一般是在重新讀取Buffer數據前調用，比如要讀取同一個Buffer的數據寫入多個通道時會用到。

clear():回到初始狀態，即limit等于capacity，position置0。重新對Buffer進行寫入操作前調用。

compact():將未讀取完的數據（position與limit之間的數據）移動到緩沖區開頭，并將position設置為這段數據末尾的下一個位置。其實就等價于重新向緩沖區中寫入了這么一段數據。

然后，看一個實例，使用FileChannel讀寫文本文件，通過這個例子驗證通道可讀可寫的特性以及Buffer的基本用法（注意FileChannel不能設置為非阻塞模式）。

FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();
channel.position(channel.size());
// 移動文件指針到末尾（追加寫入）
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);
// 數據寫入Buffer
byteBuffer.put("你好，世界！\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// Buffer -> Channel
byteBuffer.flip();
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
	channel.write(byteBuffer);
}
channel.position(0);
// 移動文件指針到開頭（從頭讀取）
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);
CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();
// 讀出所有數據
byteBuffer.clear();
while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {
	byteBuffer.flip();
	// 使用UTF-8解碼器解碼
	charBuffer.clear();
	decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);
	System.out.print(charBuffer.flip().toString());
	byteBuffer.compact();
	// 數據可能有剩余
}
channel.close();

這個例子中使用了兩個Buffer，其中 byteBuffer 作為通道讀寫的數據緩沖區，charBuffer 用于存儲解碼后的字符。clear() 和 flip() 的用法正如上文所述，需要注意的是最后那個 compact() 方法，即使 charBuffer 的大小完全足以容納 byteBuffer 解碼后的數據，這個 compact() 也必不可少，這是因為常用中文字符的UTF-8編碼占3個字節，因此有很大概率出現在中間截斷的情況，請看下圖：

當 Decoder 讀取到緩沖區末尾的 0xe4 時，無法將其映射到一個 Unicode，decode()方法第三個參數 false 的作用就是讓 Decoder 把無法映射的字節及其后面的數據都視作附加數據，因此 decode() 方法會在此處停止，并且 position 會回退到 0xe4 的位置。如此一來， 緩沖區中就遺留了“中”字編碼的第一個字節，必須將其 compact 到前面，以正確的和后序數據拼接起來。關于字符編碼,大家可以參閱《ANSI,Unicode,BMP,UTF等編碼概念實例講解》

BTW，例子中的CharsetDecoder也是JavaNIO的一個新特性，所以大家應該發現了一點哈，NIO的操作是面向緩沖區的（傳統I/O是面向流的）。

至此，我們了解了Channel與Buffer的基本用法。接下來要說的是讓一個線程管理多個Channel的重要組件。

3.Selector

Selector是什么

Selector（選擇器）是一個特殊的組件，用于采集各個通道的狀態（或者說事件）。我們先將通道注冊到選擇器，并設置好關心的事件，然后就可以通過調用select()方法，靜靜地等待事件發生。

通道有如下4個事件可供我們監聽：

Accept：有可以接受的連接

Connect：連接成功

Read：有數據可讀

Write：可以寫入數據了

為什么要用Selector

前文說了，如果用阻塞I/O，需要多線程（浪費內存），如果用非阻塞I/O，需要不斷重試（耗費CPU）。Selector的出現解決了這尷尬的問題，非阻塞模式下，通過Selector，我們的線程只為已就緒的通道工作，不用盲目的重試了。比如，當所有通道都沒有數據到達時，也就沒有Read事件發生，我們的線程會在select()方法處被掛起，從而讓出了CPU資源。

使用方法

如下所示，創建一個Selector，并注冊一個Channel。

注意：要將Channel注冊到Selector，首先需要將Channel設置為非阻塞模式，否則會拋異常。

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

register()方法的第二個參數名叫“interest set”，也就是你所關心的事件集合。如果你關心多個事件，用一個“按位或運算符”分隔，比如

SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE

這種寫法一點都不陌生，支持位運算的編程語言里都這么玩，用一個整型變量可以標識多種狀態，它是怎么做到的呢，其實很簡單，舉個例子，首先預定義一些常量，它們的值（二進制）如下

可以發現，它們值為1的位都是錯開的，因此對它們進行按位或運算之后得出的值就沒有二義性，可以反推出是由哪些變量運算而來。怎么判斷呢，沒錯，就是“按位與”運算。比如，現在有一個狀態集合變量值為0011，我們只需要判斷“0011&OP_READ”的值是1還是0就能確定集合是否包含OP_READ狀態。

然后，注意register()方法返回了一個SelectionKey的對象，這個對象包含了本次注冊的信息，我們也可以通過它修改注冊信息。從下面完整的例子中可以看到，select()之后，我們也是通過獲取一個SelectionKey的集合來獲取到那些狀態就緒了的通道。

一個完整實例

概念和理論的東西闡述完了（其實寫到這里，我發現沒寫出多少東西，好尷尬(⊙ˍ⊙)），看一個完整的例子吧。

這個例子使用JavaNIO實現了一個單線程的服務端，功能很簡單，監聽客戶端連接，當連接建立后，讀取客戶端的消息，并向客戶端響應一條消息。

需要注意的是，我用字符‘\0′（一個值為0的字節）來標識消息結束。

單線程Server

public class NioServer {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		// 創建一個selector
		Selector selector = Selector.open();
		// 初始化TCP連接監聽通道
		ServerSocketChannel listenChannel = ServerSocketChannel.open();
		listenChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
		listenChannel.configureBlocking(false);
		// 注冊到selector（監聽其ACCEPT事件）
		listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		// 創建一個緩沖區
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
		while (true) {
			selector.select();
			//阻塞，直到有監聽的事件發生
			Iterator<SelectionKey> keyIter = selector.selectedKeys().iterator();
			// 通過迭代器依次訪問select出來的Channel事件
			while (keyIter.hasNext()) {
				SelectionKey key = keyIter.next();
				if (key.isAcceptable()) {
					// 有連接可以接受
					SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
					channel.configureBlocking(false);
					channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
					System.out.println("與【" + channel.getRemoteAddress() + "】建立了連接！");
				} else if (key.isReadable()) {
					// 有數據可以讀取
					buffer.clear();
					// 讀取到流末尾說明TCP連接已斷開，
					// 因此需要關閉通道或者取消監聽READ事件
					// 否則會無限循環
					if (((SocketChannel) key.channel()).read(buffer) == -1) {
						key.channel().close();
						continue;
					}
					// 按字節遍歷數據
					buffer.flip();
					while (buffer.hasRemaining()) {
						byte b = buffer.get();
						if (b == 0) {
							// 客戶端消息末尾的\0
							System.out.println();
							// 響應客戶端
							buffer.clear();
							buffer.put("Hello, Client!\0".getBytes());
							buffer.flip();
							while (buffer.hasRemaining()) {
								((SocketChannel) key.channel()).write(buffer);
							}
						} else {
							System.out.print((char) b);
						}
					}
				}
				// 已經處理的事件一定要手動移除
				keyIter.remove();
			}
		}
	}
}

Client

這個客戶端純粹測試用，為了看起來不那么費勁，就用傳統的寫法了，代碼很簡短。

要嚴謹一點測試的話，應該并發運行大量Client，統計服務端的響應時間，而且連接建立后不要立刻發送數據，這樣才能發揮出服務端非阻塞I/O的優勢。

public class Client {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
		InputStream is = socket.getInputStream();
		OutputStream os = socket.getOutputStream();
		// 先向服務端發送數據
		os.write("Hello, Server!\0".getBytes());
		// 讀取服務端發來的數據
		int b;
		while ((b = is.read()) != 0) {
			System.out.print((char) b);
		}
		System.out.println();
		socket.close();
	}
}

總結

以上就是本文關于快速了解Java中NIO核心組件的全部內容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關內容，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！