Java NIO主要目的是为了提升速度。

标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中。

Java NIO由以下几个核心部分组成:

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors

Channel 与 Buffer

基本上,所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中,也可以从Buffer 写到Channel中。

Channel有好多种类型,如FileChannel,DatagramChannel,SocketChannel,ServerSocketChannel,这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO,以及文件IO。

ByteBuffer是唯一与Channel交互的buffer.但是ByteBuffer有一些基本数据类型的视图缓冲器,如IntBuffer,CharBuffer等。使用这些视图缓冲器可以让我们更简单的存取数据,但是修改都是在ByteBuffer上的。ByteBuffer是将数据移进移出通道的唯一方式。

Buffer

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

  • 写入数据到Buffer
  • 调用flip()方法
  • 从Buffer中读取数据
  • 调用clear()方法或者compact()方法
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RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {
buf.flip(); //make buffer ready for read
while(buf.hasRemaining()){
System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
}
buf.clear(); //make buffer ready for writing
bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

Buffer有几个属性需要熟悉:capacity, position, limit, mark.

capacity

作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后, position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下,limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时, limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position)

Selector

Selector(选择器)是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道,并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样,一个单独的线程可以管理多个channel,从而管理多个网络连接。

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是,只需要更少的线程来处理通道。事实上,可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说,线程之间上下文切换的开销很大,而且每个线程都要占用系统的一些资源(如内存)。因此,使用的线程越少越好。

使用Selector的流程如下:

  • Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector,如下:

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Selector selector = Selector.open();

  • 向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用,必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现,如下:

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

与Selector一起使用时,Channel必须处于非阻塞模式下。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。

register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件:Connect,Accept,Read,Write.可以使用SelectionKey的四个常量来表示:SelectionKey.OP_CONNECT,SelectionKey.OP_ACCEPT,SelectionKey.OP_READ,SelectionKey.OP_WRITE

  • SelectionKey
    当向Selector注册Channel时,register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性:
    • interest集合
    • ready集合
    • Channel
    • Selector
    • 附加的对象(可选)

完整的示例

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Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
int readyChannels = selector.select();
if(readyChannels == 0) continue;
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {
// a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {
// a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {
// a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}
}