NIO总结_Java

本文整理自黑马程序员Netty全套教程

NIO是什么

NIO（Non-blocking I/O，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。

1、三大组件 Channel & Buffer

channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层

Selector

我们先来看看使用Selector之前，处理socket的服务器的设计演化

多线程版设计

初期，我们为每个连接分别开辟一个线程，分别去处理对应的socke连接

⚠️ 多线程版缺点

内存占用高，当连接较多时，会开辟大量线程，导致占用大量内存
线程上下文切换成本高
只适合连接数少的场景

于是为了避免创建过多的线程，我们可以使用线程池技术

线程池版设计

⚠️ 线程池版缺点

阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接
仅适合短连接场景

selector 版设计

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

2、Buffer的结构原理

ByteBuffer 继承Buffer，在Buffer中有以下重要属性
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;

初始化后，

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制

读取 4 个字节后，状态

clear 动作发生后，状态

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

3、ByteBuffer 使用方式

向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
调用 flip() 切换至读模式
从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
重复 1~4 步骤

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 获得FileChannel
        try (FileChannel channel = new FileInputStream("stu.txt").getChannel()) {
            // 获得缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            int hasNext = 0;
            StringBuilder builder = new StringBuilder();
            while((hasNext = channel.read(buffer)) > 0) {
                // 切换模式 limit=position, position=0
                buffer.flip();
                // 当buffer中还有数据时，获取其中的数据
                while(buffer.hasRemaining()) {
                    builder.append((char)buffer.get());
                }
                // 切换模式 position=0, limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            System.out.println(builder.toString());
        } catch (IOException e) {
        }

常见方法分配空间

可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);

向 buffer 写入数据

有两种办法

调用 channel 的 read 方法

int readBytes = channel.read(buf);

调用 buffer 自己的 put 方法

buf.put((byte)127);

从 buffer 读取数据

调用 channel 的 write 方法

int writeBytes = channel.write(buf);

调用 buffer 自己的 get 方法

byte b = buf.get();

注意：get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据

可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针

mark 和 reset

mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置

        // mark & reset
        // mark 做一个标记，记录 position 位置， reset 是将 position 重置到 mark 的位置
        buffer.mark(); // 加标记，索引2 的位置
        System.out.println((char) buffer.get());
        System.out.println((char) buffer.get());
        buffer.reset(); // 将 position 重置到索引 2
        System.out.println((char) buffer.get());
        System.out.println((char) buffer.get());

注意
rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

字符串与 ByteBuffer 互转

方法一
编码：字符串调用getByte方法获得byte数组，将byte数组放入ByteBuffer中
解码：先调用ByteBuffer的flip方法，然后通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";


        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
        // 通过字符串的getByte方法获得字节数组，放入缓冲区中
        buffer1.put(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 切换模式
        buffer1.flip();
        
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}

方法二：
编码：通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer，此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode(str1);
        //或者通过Charset的encode方法获得ByteBuffer
        //ByteBuffer buffer1 = Charset.forName("utf-8").encode("你好");
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}

方法三
编码：字符串调用getByte()方法获得字节数组，将字节数组传给ByteBuffer的wrap()方法，通过该方法获得ByteBuffer。同样无需调用flip方法切换为读模式
解码：通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class Translate {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备两个字符串
        String str1 = "hello";
        String str2 = "";

        // 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
        // 此时获得的ByteBuffer为读模式，无需通过flip切换模式
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(str1.getBytes());
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);

        // 将缓冲区中的数据转化为字符串
        // 通过StandardCharsets解码，获得CharBuffer，再通过toString获得字符串
        str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
        System.out.println(str2);
        ByteBufferUtil.debugAll(buffer1);
    }
}

Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件 3parts.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {
    FileChannel channel = file.getChannel();
    ByteBuffer a = ByteBuffer.allocate(3);
    ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(3);
    ByteBuffer c = ByteBuffer.allocate(5);
    channel.read(new ByteBuffer[]{a, b, c});
    a.flip();
    b.flip();
    c.flip();
    debug(a);
    debug(b);
    debug(c);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {
    FileChannel channel = file.getChannel();
    ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4);
    ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4);
    channel.position(11);

    d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'});
    e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'});
    d.flip();
    e.flip();
    debug(d);
    debug(e);
    channel.write(new ByteBuffer[]{d, e});
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

4、FileChannel

FileChannel只能在阻塞模式下工作，所以无法搭配Selector

获取方式

不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法

通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定

常用方法读取

会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾

int readBytes = channel.read(buffer);

写入

写入的正确姿势如下， SocketChannel

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式

while(buffer.hasRemaining()) {
    channel.write(buffer);
}

在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel

位置

获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

long newPos = ...;
channel.position(newPos);

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

这时读取会返回 -1
这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）

大小

使用 size 方法获取文件的大小

强制写入

操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘

两个 Channel 传输数据

小文件传输

String FROM = "helloword/data.txt";
String TO = "helloword/to.txt";
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
     FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
    ) {
    from.transferTo(0, from.size(), to);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

说明：try-with-resources 是 JDK 7 中一个新的异常处理机制，它能够很容易地关闭在 try-catch 语句块中使用的资源。所谓的资源（resource）是指在程序完成后，必须关闭的对象。try-with-resources 语句确保了每个资源在语句结束时关闭。所有实现了 java.lang.AutoCloseable 接口（其中，它包括实现了 java.io.Closeable 的所有对象），可以使用作为资源。

超过 2g 大小的文件传输

public class TestFileChannelTransferTo {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
                FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
        ) {
            // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化
            long size = from.size();
            // left 变量代表还剩余多少字节
            for (long left = size; left > 0; ) {
                System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

NIO总结

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