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 |
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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) |
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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。
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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。
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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 |
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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:
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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();
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buf.get()
- 读取数据
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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)
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Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用。
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Buffer.reset()方法,恢复到Buffer.mark()标记时的position。
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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
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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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使用下图来进行说明:
分配内存空间
设置设局
切换到读模式
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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