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NIO简述

什么是NIO

Java NIO( New IO) 是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API,可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的,但是使用的方式完全不同, NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

NIO与普通IO的主要区别

IO NIO
面向流(Stream Oriented) 面向缓冲区(Buffer Oriented)
阻塞IO(Blocking IO) 非阻塞IO(Non Blocking IO)
(无) 选择器(Selectors)
  • Channels and Buffers(通道和缓冲区)

    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。

  • Asynchronous IO(异步IO)

    Java NIO可以让你异步的使用IO,例如:当线程从通道读取数据到缓冲区时,线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时,线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。

    上面说法不太严谨,因为dma的存在以及操作系统系统提供非阻塞的支持,所以用户进程可以异步执行其他工作。

  • Selectors(选择器)

    Java NIO引入了选择器的概念,选择器用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个的线程可以监听多个数据通道。

缓冲区(Buffer)

通过上面NIO与普通IO的主要区别也可以看到在基本的IO操作中所有的操作都是基于流进行操作的,而在NIO中所有的操作都是基于缓冲区继续操作的,所有的读写操作都是通过缓存区来进行完成,缓冲区(Buffer)是一个线性的、有序的数据集,只能容纳特定的数据类型(基本就是基本数据类型对应的Buffer或者其子类)。

各种数据类型的缓冲区类

缓存区类 相关描述
ByteBuffer 存储字节的Buffer
CharBuffer 存储字符的Buffer
ShortBuffer 存储短整型的Buffer
IntBuffer 存储整型的Buffer
LongBuffer 存储长整型的Buffer
FloatBuffer 存储单精度浮点型Buffer
DoubleBuffer 存储双精度浮点型Buffer

**备注:**看到上面这几类是不是想起了JAVA的8种基本数据类型,唯一缺少boolean对于的类型。

为什么boolean不需要缓存呢

boolean所占位数1bit(取值只有true或者false),由于字节(byte)是操作系统和所有I/O设备使用的基本数据类型,所以基本都是以字节或者连续的一段字节来存储表示,所以就没有boolean,感觉也没有必要boolean类型的缓存操作(像RocketMQ源码里面可能把一个Int里面的某位来表示boolean,其他位继续来存储数据。

Buffer的使用

读数据:

  • flip()方法

    • 将Buffer从写模式切换到读模式
    • 调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。
    • buf.flip();
  • buf.get()

    • 读取数据
  • Buffer.rewind()

    • 将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据
    • limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素(byte、char等)
  • Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用。

  • Buffer.reset()方法,恢复到Buffer.mark()标记时的position。

  • clear()方法会:

    • 清空整个缓冲区。
    • position将被设回0,limit被设置成 capacity的值
  • compact()方法:

    • 只会清除已经读过的数据;任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处,新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。
    • 将position设到最后一个未读元素正后面,limit被设置成 capacity的值。

**写数据:**buf.put(127);

缓冲区的基本属性

  • 容量 (capacity):表示 Buffer 最大数据容量,缓冲区容量不能为负,并且创建后不能更改。
  • 限制 (limit):第一个不应该读取或写入的数据的索引,即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负,并且不能大于其容量。
  • 位置 (position):下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负,并且不能大于其限制。

备注:标记、 位置、 限制、 容量遵守以下不变式: 0 <= position <= limit <= capacity

为了更形象解释上面重要属性,准备配上简单代码以及图来进行说明就容易懂了。

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package com.eh.eden.pattern;


import java.nio.IntBuffer;

class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //第一步,获取IntBuffer,通过IntBuffer.allocate操作
        IntBuffer buf = IntBuffer.allocate(10); // 准备出10个大小的缓冲区

        //第二步未操作前输出属性值
        System.out.println("position = " + buf.position() + ", limit = " + buf.limit() + ", capacity = " + buf.capacity());

        //第三步进行设置数据
        buf.put(5); // 设置第一个数据
        buf.put(15); // 设置第二个数据

        //第四步操作后输出属性值
        System.out.println("position = " + buf.position() + ", limit = " + buf.limit() + ", capacity = " + buf.capacity());

        //第五步将Buffer从写模式切换到读模式 postion = 0 ,limit = 原本position
        buf.flip();

        //第六步操作后输出属性值
        System.out.println("position = " + buf.position() + ", limit = " + buf.limit() + ", capacity = " + buf.capacity());

    }
}
// 运行结果
position = 0, limit = 10, capacity = 10
position = 2, limit = 10, capacity = 10
position = 0, limit = 2, capacity = 10

使用下图来进行说明:

分配内存空间

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831211304.png

设置设局

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831211359.png

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831211404.png

切换到读模式

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831211415.png

通道(Channel)

通道表示打开到 IO 设备(例如:文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统,需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区,对数据进行处理。Channel 负责传输, Buffer 负责存储。通道是由 java.nio.channels 包定义的。 Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel本身不能直接访问数据, Channel 只能与Buffer 进行交互。

通道都是操作缓存区完成全部的功能的

Java中所有已知Channel实现类

  • AbstractInterruptibleChannel
  • AbstractSelectableChannel
  • DatagramChannel
  • FileChannel
  • Pipe.SinkChannel
  • Pipe.SourceChannel
  • SelectableChannel
  • ServerSocketChannel
  • SocketChannel

常用的有入下几个

  • FileChannel:用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
  • DatagramChannel:通过 UDP 读写网络中的数据通道。
  • SocketChannel:通过 TCP 读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接,对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。

获取通道

获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下:

  • FileInputStream
  • FileOutputStream
  • RandomAccessFile
  • DatagramSocket
  • Socket
  • ServerSocket

获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。

通道的使用

  • 为了更形象解释说明的Channel,下面准备以FileChannel的一些简单代码进行说明就容易懂了。
  • 准备以FileOutputStream类为准,这两个类都是支持通道操作的。
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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

class Demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String s = "为了更形象解释说明的Channel,下面准备以FileChannel的一些简单代码进行说明就容易懂了。";
        try (
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("/tmp/com.eh/aaa.txt"));
                FileChannel channel = fos.getChannel()
        ) {
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.put(s.getBytes());
            buf.put("\n".getBytes()); // 换行
            buf.flip();
            channel.write(buf); // 将缓冲区的内容从源(buf)输出到目标(文件)
        }
    }
}
// 运行结果
$ cat /tmp/com.eh/aaa.txt
为了更形象解释说明的Channel下面准备以FileChannel的一些简单代码进行说明就容易懂了