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NIO详解

原文:https://mp.weixin.qq.com/s/c9tkrokcDQR375kiwCeV9w?

概述

NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)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。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接打开,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO(一下简称IO)之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用read() 或 write()时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变得可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

Channel

首先说一下Channel,国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream.而Channel是双向的,既可以用来进行读操作,又可以用来进行写操作。 NIO中的Channel的主要实现有:

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

这里看名字就可以猜出个所以然来:分别可以对应文件IO、UDP和TCP(Server和Client)。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有:ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer,分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等这里先不进行陈述。

Selector

Selector运行单线程处理多个Channel,如果你的应用打开了多个通道,但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

FileChannel

看完上面的陈述,对于第一次接触NIO的同学来说云里雾里,只说了一些概念,也没记住什么,更别说怎么用了。这里开始通过传统IO以及更改后的NIO来做对比,以更形象的突出NIO的用法,进而使你对NIO有一点点的了解。

传统IO vs NIO

首先,案例1是采用FileInputStream读取文件内容的:

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

class Demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (
                BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("/tmp/com.eh/aaa.txt"))
        ) {
            byte[] buf = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = in.read(buf)) != -1) {
                for (int i = 0; i < length; i++)
                    System.out.print((char) buf[i]);
            }
        }
    }
}

案例是对应的NIO(这里通过RandomAccessFile进行操作,当然也可以通过FileInputStream.getChannel()进行操作):

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

class Demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (
                RandomAccessFile fileOut = new RandomAccessFile("/tmp/com.eh/aaa.txt", "rw");
                FileChannel channel = fileOut.getChannel()
        ) {

            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            while ((channel.read(buf)) != -1) {
                buf.flip();
                while (buf.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) buf.get());
                }
                buf.compact(); // 重置索引 pos=0,limit=capacity
            }
        }
    }
}

通过仔细对比案例1和案例2,应该能看出个大概,最起码能发现NIO的实现方式比叫复杂。有了一个大概的印象可以进入下一步了。

Buffer的使用

从案例2中可以总结出使用Buffer一般遵循下面几个步骤:

  • 分配空间(ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 还有一种allocateDirector后面再陈述)
  • 写入数据到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
  • 调用filp()方法( buf.flip();)
  • 从Buffer中读取数据(System.out.print((char)buf.get());)
  • 调用clear()方法或者compact()方法

Buffer顾名思义:缓冲区,实际上是一个容器,一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道,但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831220026.png

每个channel对应一个buffer

向Buffer中写数据:

  • 从Channel写到Buffer (fileChannel.read(buf))

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    Reads a sequence of bytes from this channel into the given buffer.
    
  • 通过Buffer的put()方法 (buf.put(…))

从Buffer中读取数据:

  • 从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))

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    Writes a sequence of bytes to this channel from the given buffer.
    
  • 使用get()方法从Buffer中读取数据 (buf.get())

向buffer写: 从channel读 channel.read

从buffer读: 向channel写 channel.write

可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表,它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态:capacity, position, limit, mark:

索引 说明
capacity 缓冲区数组的总长度
position 下一个要操作的数据元素的位置
limit 缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置:limit<=capacity
mark 用于记录当前position的前一个position位置或者默认是-1

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831220303.png

无图无真相,举例:我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个11个byte的数组的缓冲区,初始状态如上图,position的位置为0,capacity和limit默认都是数组长度。当我们写入5个字节时,变化如下图:

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831220337.png

这时我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道,所以我们调用ByteBuffer.flip()方法,变化如下图所示(position设回0,并将limit设成之前的position的值):

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831220402.png

这时我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道,所以我们调用ByteBuffer.flip()方法,变化如下图所示(position设回0,并将limit设成之前的position的值):

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200831221000.png

这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前我们再调用clear()方法,缓冲区的索引位置又回到了初始位置。

调用clear()方法:position将被设回0,limit设置成capacity,换句话说,Buffer被清空了,其实Buffer中的数据并未被清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先写些数据,那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定的position,之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将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。

SocketChannel

说完了FileChannel和Buffer, 大家应该对Buffer的用法比较了解了,这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性,套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。例如,对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞;对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞,直到连接的另一端传来新的数据。总的来说,创建/接收连接或读写数据等I/O调用,都可能无限期地阻塞等待,直到底层的网络实现发生了什么。慢速的,有损耗的网络,或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是,在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为,以实现非阻塞式的信道。

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channel.configureBlocking(false) // os提供对非阻塞的支持

在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如,在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法,如果有连接请求来了,则返回客户端SocketChannel,否则返回null。

这里先举一个TCP应用案例,客户端采用NIO实现,而服务端依旧使用BIO实现。

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Scanner;

// 服务端
class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000)
        ) {
            while (true) {
                System.out.println("等待客户端连接...");
                Socket client = serverSocket.accept(); // 阻塞
                System.out.println("接收到客户端: " + client.getRemoteSocketAddress() + " 的连接请求");
                try (
                        InputStream in = client.getInputStream()
                ) {
                    System.out.println("等待读取客户端数据...");
                    byte[] recvBuf = new byte[1024];
                    int recvLength;
                    boolean flag = true;
                    while ((recvLength = in.read(recvBuf)) != -1) {
                        if (flag) {
                            System.out.println("接受到客户端结束,读取中...");
                            flag = false;
                        }
                        byte[] tmp = new byte[recvLength];
                        System.arraycopy(recvBuf, 0, tmp, 0, recvLength);
                        System.out.println(new String(tmp));
                    }
                }
            }
        }
    }
}

// 客户端
class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()
        ) {
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));
            // return true, if, and only if, this channel's socket is now connected
            if (socketChannel.finishConnect()) {
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                while (true) {
                    System.out.println("请输入要传输给服务端的内容...");
                    String clientInfo = scanner.next();
                    buffer.clear(); // 将各索引重置
                    buffer.put(clientInfo.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

根据案例分析,总结一下SocketChannel的用法。 打开SocketChannel:

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socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

关闭:

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socketChannel.close();

读取数据:

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String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
buffer.clear();
buffer.put(info.getBytes());
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()){
  System.out.println(buffer);
  socketChannel.write(buffer);
}

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。 非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。

TCP服务端NIO写法

到目前为止,所举的案例中都没有涉及Selector。不要急,好东西要慢慢来。Selector类可以用于避免使用阻塞式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。例如,考虑一个IM服务器。像QQ或者旺旺这样的,可能有几万甚至几千万个客户端同时连接到了服务器,但在任何时刻都只是非常少量的消息。

需要读取和分发。这就需要一种方法阻塞等待,直到至少有一个信道可以进行I/O操作,并指出是哪个信道。NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。用专业术语来说,选择器就是一个多路开关选择器,因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。然而如果用传统的方式来处理这么多客户端,使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作,如果当前客户端有I/O操作,则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理,如果没有I/O操作则进行下一个轮询,当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询;这种方法是非常笨而且也非常浪费资源,因为大部分客户端是没有I/O操作,我们也要去检查;而Selector就不一样了,它在内部可以同时管理多个I/O,当一个信道有I/O操作的时候,他会通知Selector,Selector就是记住这个信道有I/O操作,并且知道是何种I/O操作,是读呢?是写呢?还是接受新的连接;所以如果使用Selector,它返回的结果只有两种结果,一种是0,即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作,另一种结果是一组需要I/O操作的客户端,这时你就根本不需要再检查了,因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多!

要使用选择器(Selector),需要创建一个Selector实例(使用静态工厂方法open())并将其注册(register)到想要监控的信道上(注意,这要通过channel的方法实现,而不是使用selector的方法)。最后,调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待,直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在,在一个单独的线程中,通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好,select()方法就会返回0,并允许程序继续执行其他任务。

这里的注册和观察者模式没有关系,选择器背后的基本概念是充当一个注册表。基于事件机制指的的基于IO中断事件,响应就是调用eventpoll提供的回调方法往eventepoll的ready双向链表里插入一个fd。eventpoll这个结构体也是一个fd(epfd),所以这里的selector.open()相当于创建了一个epfd,channel.register(OP_xx, selector),相当于把channel代表的fd(加上要监听的一个或多个事件类型)放入eventepoll里的红黑树结构体中。所以这里的注册意思仅仅是添加的意思,进入channel.register(selector)方法内部可以发现调用的是selector.register(channel),也就是epfd添加fd。

下文里关于这个注册,是channel注册selector还是selector注册channel没有进行区分,理解就好。

下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式:

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package com.eh.eden.pattern;


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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

// 服务端
class Server {

    private static final int BUF_SIZE = 1024;
    private static final int PORT = 8000;
    private static final int TIMEOUT = 3000;


    public static void main(String[] args) throws IOException {
        initServer();
    }

    public static void initServer() throws IOException {
        try (
                ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
                Selector selector = Selector.open()
        ) {
            ssc.bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while (true) {
                if (selector.select(TIMEOUT) == 0) {
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }

                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    if (key.isAcceptable()) {
                        System.out.println("处理客户端连接");
                        handleAccept(key);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        System.out.println("处理客户端读事件");
                        handleRead(key);
                    } else if (key.isWritable() && key.isValid()) {
                        /**
                         * A key is valid upon creation and remains so until it is cancelled,
                         * its channel is closed, or its selector is closed.
                         */
                        System.out.println("处理客户端写事件");
                        handleWrite(key);
                    }
                    if (key.isConnectable()) {
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iterator.remove(); // 移除这个key,防止重复处理
                }
            }

        }
    }

    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel sc = ssc.accept();
        sc.configureBlocking(false);
      	// 将selector注册到sc信道上,并监听READ事件(sc信道可读)
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }

    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while (buf.hasRemaining()) {
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }

    public static void handleRead(SelectionKey key) {

        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        buffer.clear();
        int read;
        try {
            while (true) {
                read = client.read(buffer);
                if (read > 0) {
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        System.out.print((char) buffer.get());
                    }
                    buffer.clear();
                } else if (read == 0) {
                    break;
                } else {
                    client.close();
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

下面来慢慢讲解这段代码。

ServerSocketChannel

打开ServerSocketChannel:

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ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

关闭ServerSocketChannel:

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serverSocketChannel.close();

监听新进来的连接:

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while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept() 方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null.如:

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        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        while (true)
        {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel != null)
            {
                // do something with socketChannel...
            }
        }

Selector

Selector的创建:Selector selector = Selector.open();

Selector的创建:Selector selector = Selector.open();

为了将Channel和Selector配合使用,必须将Selector注册到Channel上,通过SelectableChannel.register()方法来实现,沿用案例5中的部分代码:

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            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

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。

注意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:

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1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

比如读就绪,说明服务端的IO设备已经接收到客户端传入的数据,DMA将数据数据传到内核的buffer, 内核的buffer

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示:

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1. SelectionKey.OP_CONNECT 客户端:连接就绪事件,表示客户与服务器的连接已经建立成功
2. SelectionKey.OP_ACCEPT  服务端: 接收连接继续事件,表示服务器监听到了客户连接,服务器可以接收这个连接了
3. SelectionKey.OP_READ 读就绪事件,表示通道中已经有了可读的数据,可以执行读操作了(通道目前有数据,可以进行读操作了)
4. SelectionKey.OP_WRITE 写就绪事件,表示已经可以向通道写数据了(通道目前可以用于写操作)

1.当向通道中注册SelectionKey.OP_READ事件后,如果客户端有向缓存中write数据,下次轮询时,则会 isReadable()=true;

2.当向通道中注册SelectionKey.OP_WRITE事件后,这时你会发现当前轮询线程中isWritable()一直为ture,如果不设置为其他事件, 因为 OP_WRITE 表示内核缓冲区是否有空间,是,则响应返回 true

如果要同时监听多个事件可以这样写:

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channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ | Selectionkey.OP_CONNECT)//同时注册读就绪和连接就绪事件

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)

interest集合:就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后,你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合:

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int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法,来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是,也可以使用以下四个方法,它们都会返回一个布尔类型:

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selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下:

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Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上,这样就能方便的识别某个给定的通道。例如,可以附加 与通道一起使用的Buffer,或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下:

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selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如:

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SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道,就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件(如连接、接受、读或写)已经准备就绪的那些通道。换句话说,如果你对“读就绪”的通道感兴趣,select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法:

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。 select(long timeout)和select()一样,除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。 selectNow()不会阻塞,不管什么通道就绪都立刻返回(译者注:此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后,没有通道变成可选择的,则此方法直接返回零。)。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即,自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法,因为有一个通道变成就绪状态,返回了1,若再次调用select()方法,如果另一个通道就绪了,它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作,现在就有两个就绪的通道,但在每次select()方法调用之间,只有一个通道就绪了。

一旦调用了select()方法,并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了,然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法,访问“已选择键集(selected key set)”中的就绪通道。如下所示:

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Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当向Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

内存映射文件

JAVA处理大文件,一般用BufferedReader,BufferedInputStream这类带缓冲的IO类,不过如果文件超大的话,更快的方式是采用MappedByteBuffer。

MappedByteBuffer是NIO引入的文件内存映射方案,读写性能极高。NIO最主要的就是实现了对异步操作的支持。其中一种通过把一个套接字通道(SocketChannel)注册到一个选择器(Selector)中,不时调用后者的选择(select)方法就能返回满足的选择键(SelectionKey),键中包含了SOCKET事件信息。这就是select模型。

SocketChannel的读写是通过一个类叫ByteBuffer来操作的.这个类本身的设计是不错的,比直接操作byte[]方便多了. ByteBuffer有两种模式:直接/间接.间接模式最典型(也只有这么一种)的就是HeapByteBuffer,即操作堆内存 (byte[]).但是内存毕竟有限,如果我要发送一个1G的文件怎么办?不可能真的去分配1G的内存.这时就必须使用"直接"模式,即 MappedByteBuffer,文件映射.

先中断一下,谈谈操作系统的内存管理.一般操作系统的内存分两部分:物理内存;虚拟内存.虚拟内存一般使用的是页面映像文件,即硬盘中的某个(某些)特殊的文件.操作系统负责页面文件内容的读写,这个过程叫"页面中断/切换". MappedByteBuffer也是类似的,你可以把整个文件(不管文件有多大)看成是一个ByteBuffer.MappedByteBuffer 只是一种特殊的ByteBuffer,即是ByteBuffer的子类。 MappedByteBuffer 将文件直接映射到内存(这里的内存指的是虚拟内存,并不是物理内存)。通常,可以映射整个文件,如果文件比较大的话可以分段进行映射,只要指定文件的那个部分就可以。

概念

FileChannel提供了map方法来把文件影射为内存映像文件: MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为内存映像文件,mode指出了 可访问该内存映像文件的方式:

  • READ_ONLY,(只读): 试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)
  • READ_WRITE(读/写): 对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件;该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。 (MapMode.READ_WRITE)
  • PRIVATE(专用): 对得到的缓冲区的更改不会传播到文件,并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的;相反,会创建缓冲区已修改部分的专用副本。 (MapMode.PRIVATE)

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子类,其扩充了三个方法:

  • force():缓冲区是READ_WRITE模式下,此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件;
  • load():将缓冲区的内容载入内存,并返回该缓冲区的引用;
  • isLoaded():如果缓冲区的内容在物理内存中,则返回真,否则返回假;

案例对比

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        final String file = "/Users/david/Downloads/Visual_Paradigm_15_0_20190701_OSX_WithJRE.dmg"; // 532m
        try (
                RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
                FileChannel fc = raf.getChannel()
        ) {
            long start = System.currentTimeMillis();
//            ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate((int) raf.length());
            ByteBuffer buff = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, raf.length());
//            buff.clear();
//            fc.read(buff); // 往buff里写
            System.out.println("Read time: " + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

// Read time: 3395 ms
// Read time: 4 ms

通过输出结果可以看出彼此的差别

注:MappedByteBuffer有资源释放的问题:被MappedByteBuffer打开的文件只有在垃圾收集时才会被关闭,而这个点是不确定的。在Javadoc中这里描述:A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remian valid until the buffer itself is garbage-collected。

其余功能介绍

看完以上陈述,详细大家对NIO有了一定的了解,下面主要通过几个案例,来说明NIO的其余功能,下面代码量偏多,功能性讲述偏少。

Scatter/Gather

分散(scatter)从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此,Channel将从Channel中读取的数据“分散(scatter)”到多个Buffer中。

聚集(gather)写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel,因此,Channel 将多个Buffer中的数据“聚集(gather)”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合,例如传输一个由消息头和消息体组成的消息,你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中,这样你可以方便的处理消息头和消息体。

案例:

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import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class ScattingAndGather
{
    public static void main(String args[]){
        gather();
    }
    public static void gather()
    {
        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(10);
        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
        byte [] b1 = {'0', '1'};
        byte [] b2 = {'2', '3'};
        header.put(b1);
        body.put(b2);
        ByteBuffer [] buffs = {header, body};
        try
        {
            FileOutputStream os = new FileOutputStream("src/scattingAndGather.txt");
            FileChannel channel = os.getChannel();
            channel.write(buffs); // 从多个缓冲区读取数据到channel
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

transferFrom & transferTo

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。

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    public static void method1(){
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try
        {
            fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.xml","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println(count);
            toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(fromFile != null){
                    fromFile.close();
                }
                if(toFile != null){
                    toFile.close();
                }
            }
            catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据,count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于 count 个字节,则所传输的字节数要小于请求的字节数。此外要注意,在SoketChannel的实现中,SocketChannel只会传输此刻准备好的数据(可能不足count字节)。因此,SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中。

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    public static void method2()
    {
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try
        {
            fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.txt","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println(count);
            fromChannel.transferTo(position, count,toChannel);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(fromFile != null){
                    fromFile.close();
                }
                if(toFile != null){
                    toFile.close();
                }
            }
            catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

上面所说的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中同样存在。SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。

PIPE

先介绍下管道是什么?

“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件,又名pipe 文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200901105657.png

  1. 管道只能采用半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信,则需要设置两个管道
  2. 各进程要互斥地访问管道。
  3. 数据以字符流的形式写入管道,当管道写满时,写进程的write()系统调用将被阻塞,等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后,管道变空,此时读进程的read()系统调用将被阻塞
  4. 如果没写满,就不允许读。如果没读空,就不允许写。
  5. 数据一旦被读出,就从管道中被抛弃,这就意味着读进程最多只能有一个,否则可能会有读错数据的情 况。

现在理解Java管道为什么有两个通道就很好理解了,sink通道负责往缓冲区写,source通道负责从缓冲区读,设置两个通道才不会打架。

Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道,从source通道读取。

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Pipe;
import java.time.LocalTime;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            final Pipe pipe = Pipe.open();
            // 线程1写数据
            new Thread(() -> {
                try {
                    Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink(); // 向通道中写数据
                    while (true) {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        String info = LocalTime.now().toString();
                        buf.put(info.getBytes());
                        buf.flip();
                        while (buf.hasRemaining()) {
                            sinkChannel.write(buf);
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发送: " + info);
                    }
                } catch (IOException | InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "t1").start();


            // 线程2读数据
            new Thread(() -> {
                try {
                    Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source(); // 从通道中读数据
                    while (true) {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        int length;
                        while ((length = sourceChannel.read(buf)) > 0) {
                            byte[] bs = new byte[length];
                            int i = 0;
                            buf.flip();

                            while (buf.hasRemaining()) {
                                bs[i] = buf.get();
                                i++;
                            }
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "接受: " + new String(bs));
                        }
                    }
                } catch (IOException | InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }, "t2").start();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

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package com.eh.eden.pattern;


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    send();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    recv();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

    private static void recv() {
        try (
                DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()
        ) {
            channel.bind(new InetSocketAddress(8000));

            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            channel.receive(buf);
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buf.get());
            }
            System.out.println(); // 换行
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    private static void send() {
        try (
                DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()
        ) {
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            buf.put("I'm the sender".getBytes());
            buf.flip();
            channel.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8000));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}