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NIO#xff0c;全称为New Input/Output#xff0c;是Java平台中用于替代传统I/O#xff08;Blocking I/O#xff09;模型的一个功能强大的I/O API。NIO在Java 1.4版本中被引入#xff0c;其设计目标是提供一种非阻塞的、低延迟的I/O操作方式#xff0c;以…一、什么是NIO
NIO全称为New Input/Output是Java平台中用于替代传统I/OBlocking I/O模型的一个功能强大的I/O API。NIO在Java 1.4版本中被引入其设计目标是提供一种非阻塞的、低延迟的I/O操作方式以提高应用程序在处理大量并发连接时的效率特别适合于网络通信和文件操作。 NIO的主要特性如下 非阻塞I/O 在传统的BIO模型中读写操作是阻塞的即当数据不可用时线程会被挂起等待数据准备好。 而在NIO中读写操作是非阻塞的当数据不可用时线程不会被挂起而是可以去做其他工作等到数据准 备好了再回来处理。 缓冲区Buffer NIO引入了缓冲区的概念数据在读写时先被存放在缓冲区中提高了数据处理的效率。 缓冲区提供了对数据的结构化访问可以方便地进行读写操作并且支持高效的数据预读和后写。 通道Channel 通道类似于流但它是双向的可以用于读和写数据。 通道可以从文件、套接字等源获取数据也可以向这些源发送数据。 选择器Selector 选择器允许单个线程检查多个通道看哪些通道已经准备好进行读写操作从而实现了I/O的多路复用 减少了线程的数量提高了系统的效率。 直接内存访问Direct Buffer NIO支持直接在操作系统内存中分配缓冲区避免了Java堆和系统内存之间的数据复制提高了性能。
上面的几个特性中有三个是NIO的核心特性分别是缓冲区、通道、选择器由选择器决定选择哪一个通道进行数据的读写操作通道读写的数据必须经过缓冲区。下面笔者分别对这三个核心特性做深入讲解。
二、缓冲区Buffer
基本缓冲区类
缓冲区是NIO中的很重要概念它是一个特殊类型的数组用于存储数据。Buffer类是所有缓冲区类的抽象基类。以下是截取的源码开头部分 可以看到Buffer类是一个抽象类并且这是一个限制继承的抽象类sealed和permits关键字说明了这一点。这两个关键字是jdk15版本推出来的预览特性在后续的jdk版本中逐渐成熟。这些关键字用于限制类的继承以提供更好的封装性和安全性。 sealed 一个密封类Sealed Class是只能被其指定的子类或接口继承的类。这样 可以防止未经授权的类随意扩展它从而增强了代码的可控性。密封类可以防止意外的子类化这在构建框架或库时特别有用因为这样可以确保只有预期的子类能够存在。 permits 该关键字用于在密封类声明中列出允许继承它的子类。
Buffer抽象类一共有七个子类继承类分别对应java中的七个基本数据类型(没有布尔类型)。 这里笔者搜索了相关资料对于为什么没有布尔类型缓冲区类给出一个解释如下
布尔类型在Java中通常是作为位bit来处理的而不是作为一个完整的字节或更大数据类型的一部分。布尔值在内存中通常占用一个字节的位但Java的布尔变量在逻辑上是不可分割的不像其他基本类型那样可以独立地进行读写操作 ByteBuffer用于存储字节byte类型的数据 CharBuffer用于存储字符char类型的数据。 ShortBuffer用于存储短整型short类型的数据 IntBuffer用于存储整型int类型的数据。 LongBuffer用于存储长整型long类型的数据。 FloatBuffer用于存储浮点型float类型的数据。 DoubleBuffer用于存储双精度浮点型double类型的数据。
以上就是基本类型的缓冲区类当然每种基本缓冲区类都还会有不同场景下的自己的子类型这里不再介绍。
缓冲区的核心属性 通过源码观察到缓冲区有以下几个核心属性 mark标记位置可以用来记录position的某个值但不总是存在默认值为未定义 position下一个要被读或写的元素的位置。初始值为0。 limit在读模式下表示缓冲区中可读数据的边界在写模式下表示可以写入数据的最大位置。初始化时limit通常与capacity相同。 capacity缓冲区的最大容量即它可以容纳的数据量。
在缓冲区中这几个核心属性需要满足以下几个不变量关系 markpositionlimitcapacity
缓冲区的基本操作 allocate()静态方法用于创建并初始化一个新的缓冲区大小为指定的容量。 flip()切换缓冲区状态从写模式到读模式将limit设置为当前position然后重置position为0。 clear()清空缓冲区将position重置为0limit设置回capacity但不实际清除数据。 rewind()将position重置为0允许重新读取缓冲区中的所有数据limit保持不变。 compact()将未读数据移动到缓冲区的起始位置并清空已读部分用于连续写入更多数据。 put() 和 get()分别用于写入数据到缓冲区或从缓冲区中读取数据。
Buffer实现类的常⽤⽅法
以ByteBuffer为例分类介绍ByteBuffer的常⽤⽅法。
创建Buffer ByteBuffer提供了allocate静态⽅法⽤来创建带有初始化数组的Buffer缓冲区。
ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024);向Buffer中写数据 将数据写⼊到buffer中有三种⽅式 put(数据) 将数据存⼊到buffer此时position随之变化。 wrap(数据)将数据存⼊数据并返回buffer此时position为0limit为数据的⻓度 channel.read(buffer)将数据读⼊到buffer中。 从Buffer中读取数据 从Buffer中读取数据有以下⼏种⽅式 get相关的⽅法获得当前position或指定position的数据array()返回整个数组内容channel.write(buffer)使⽤channel获得buffer中的内容并写⼊到指定⽬标
缓冲区分类
子缓冲区
可以为Buffer创建⼦缓冲区在现有缓冲区上分割出⼀块空间作为新的缓冲区。原缓冲区和⼦缓冲区共享同⼀⽚数据空间。通过调⽤slice⽅法创建⼦缓冲区 。
package com.execute.batch.executebatch;import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Arrays;/*** author hulei* date 2024/6/6 15:00*/public class BufferChildren {public static void main(String[] args) {// 得到bufferByteBuffer buffer ByteBuffer.wrap(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9});// 设置positionbuffer.position(3);// 设置limitbuffer.limit(7);// 得到子缓冲区 与原缓冲区共享bufferByteBuffer slice buffer.slice();System.out.println(Arrays.toString(slice.array()));slice.put(0, ((byte) 40));System.out.println(Arrays.toString(buffer.array()));slice.position(3);ByteBuffer slice1 slice.slice();slice1.put(0, ((byte) 50));System.out.println(Arrays.toString(buffer.array()));}
} 只读缓冲区
通过buffer的asReadOnlyBuffer()⽅法获得⼀个新的只读缓冲区所谓的只读缓冲区就是只能读不能写。只读缓冲区与原缓冲区共享同⼀⽚数据空间原缓冲区数据发⽣改变只读缓冲区也能看到变化后的数据因为它们共享同⼀⽚存储空间。
package com.execute.batch.executebatch;import java.nio.ByteBuffer;/*** author hulei* date 2024/6/6 15:46*/public class BufferOnlyRead {public static void main(String[] args) {ByteBuffer buffer ByteBuffer.wrap(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9});// 获得只读缓冲区ByteBuffer readOnlyBuffer buffer.asReadOnlyBuffer();// 修改原bufferbuffer.put(3, (byte) 40);// 查看readOnlyBufferwhile (readOnlyBuffer.hasRemaining()){System.out.println(readOnlyBuffer.get());}}
}
上面的代码首先创建了一个原始缓冲区接着又通过原始缓冲区获得了一个只读缓冲区。两个缓冲区的数据是共享的但是修改缓冲区数据只能通过原始缓冲区进行对于readOnlyBuffer 只读缓冲区是无法进行修改操作的比如 readOnlyBuffer.put(4, (byte) 50)会有报错提示。当然通过原始缓冲区进行修改也会在只读缓冲区中体现出来。
直接缓冲区
直接缓冲区其实就是在内存上直接分配空间用作缓冲区。减少了数据在java堆和内存之间的复制提升了性能。可以通过调用此类的allocateDirect工厂方法来创建直接字节缓冲区。此方法返回的缓冲区通常比非直接缓冲区具有更⾼的分配和释放成本。直接缓冲区的内容可能位于正常垃圾收集堆之外因此它们对应⽤程序内存占⽤的影响可能不明显。
package com.execute.batch.executebatch;import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;/*** author hulei* date 2024/6/6 16:44*/public class BufferDirect {public static void main(String[] args) throws IOException {FileInputStream fis new FileInputStream(D:/1.txt);FileChannel fisChannel fis.getChannel();FileOutputStream fos new FileOutputStream(D:/8.txt);FileChannel fosChannel fos.getChannel();// 创建直接缓冲区ByteBuffer buffer ByteBuffer.allocateDirect(1024);while (fisChannel.read(buffer) 0){// 把buffer的数据写到文件中buffer.flip();fosChannel.write(buffer);}System.out.println(复制完毕);}
}
代码首先创建一个文件读取流这个文件必须已经存在获取读取通道。然后再创建一个文件写入流获取写入通道。接着创建直接缓冲区开始循环读取数据复制。
基于内存映射的Buffer
MappedByteBuffer采⽤direct buffer的⽅式读写⽂件内容,这种⽅式就是内存映射。这种⽅式直接调⽤系统底层的缓存,没有JVM和系统之间的复制操作所以效率⾮常⾼主要⽤于操作⼤⽂件是直接缓冲区的父类。
通过FileChannel的map⽅法得到MappedByteBufferMappedByteBuffer把磁盘中⽂件的内容映射到计算机的虚拟内存中操作MappedByteBuffer直接操作内存中的数据⽽⽆需每次通过IO来读取物理磁盘中的⽂件效率很高。
package com.execute.batch.executebatch;import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;/*** author hulei* date 2024/6/6 17:17*/public class BufferMemory {public static void main(String[] args) throws IOException {File file new File(D://1.txt);RandomAccessFile randomAccessFile new RandomAccessFile(file, rw);// 获得channelFileChannel fileChannel randomAccessFile.getChannel();// channel的map来获得内存映射缓冲区MappedByteBuffer mappedByteBuffer fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());
// while (mappedByteBuffer.hasRemaining()){
// System.out.println((char) mappedByteBuffer.get());
// }Charset utf8 StandardCharsets.UTF_8;CharBuffer decodedChars utf8.decode(mappedByteBuffer);while (decodedChars.hasRemaining()) {System.out.print(decodedChars.get());}}
}
注以上代码注释的部分把字节转换为char类型打印出来的是乱码因为文件不是ASCII编码格式。所以我使用了utf8进行转换显示出来原始的字符。实际开发中如果数据还需要进行传输则不必要这么转码。
三、通道Channel
Channel即通道表示打开IO设备的连接⽐如打开到⽂件、Socket套接字的连接。在使⽤NIO时必须要获取⽤于连接IO设备的通道以及⽤于容纳数据的缓冲区。通过操作缓冲区实现对数据的处理。也就是说数据是保存在buffer缓冲区中的需要通过Channel来操作缓冲区中的数据。与传统的IO流(Stream)不同Channel支持双向数据传输既可以读也可以写。 Channel的核心特性如下 双向通信 Channel是双向的意味着数据可以从Channel读取到缓冲区也可以从缓冲区写入到Channel这与InputStream和OutputStream等单向流形成了对比。 与缓冲区(Buffer)交互 Channel并不直接与数据源或目标进行操作而是通过缓冲区作为中介。数据总是先读入缓冲区或从缓冲区写出这样的设计允许更高效的批量操作和减少实际I/O调用次数。 操作系统的直接映射 Channel提供了对操作系统底层I/O服务的直接访问通常对应于操作系统中的文件描述符如硬件设备、文件、网络套接字等。这意味着Channel能够利用操作系统的优化提高性能。 主要实现类型 FileChannel用于文件I/O操作。SocketChannel用于TCP网络编程中的客户端和服务端通信。ServerSocketChannel用于监听新进来的TCP连接请求类似于传统的ServerSocket。DatagramChannel用于UDP数据报通信支持无连接的数据传输。 选择器(Selector) Channel可以与Selector一起工作实现非阻塞I/O操作。通过注册感兴趣的事件如读、写、连接等应用程序可以管理多个Channel而无需为每个Channel分配单独的线程大大提高了并发处理能力。 全双工通信 Channel支持同时进行读写操作这对于需要同时接收和发送数据的应用场景非常有用比如网络通信。 关闭和生命周期Channel 有自己的生命周期可以通过调用 close() 方法关闭。一旦关闭就不能再进行读写操作。
总的来说Channel是Java NIO框架中的核心组件它提供了高效、灵活的方式来处理I/O操作特别是对于需要处理多个并发连接的服务器应用程序而言NIO Channel和相关机制提供了强大的性能提升。
四、选择器Selector
Selector选择器也可以称为多路复⽤器。它是Java NIO的核⼼组件之⼀⽤于检查⼀个或多个Channel的状态是否处于可读、可写、可连接、可接收等。通过⼀个Selector选择器管理多个Channel可以实现⼀个线程管理多个Channel对应的⽹络连接。使⽤单线程管理多个Channel可以避免多线程的线程上下⽂切换带来的额外开销。 SelectableChannel可选择通道
只有SelectableChannel才能被Selector管理⽐如所有的Socket通道。⽽FileChannel并没有继承SelectableChannel因此不能被Selector管理。
上文中的四个Channel中FileChannel无法被Selector管理因为它没有继承SelectableChannel其他三个SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel均直接或者间接的继承了SelectableChannel抽象类所以它们可以被管理。
注册Channel
Channel通过注册的⽅式关联Selector。⼀个Channel可以注册到多个Selector上但在某⼀个Selector上只能注册⼀次。注册时需要告知SelectorSelector需要对通道的哪个操作感兴趣。
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops) throws ClosedChannelException{return register(sel, ops, null);
}通道的操作类型有下面几种 可读SelectionKey.OP_READ 可写SelectionKey.OP_WRITE 可连接SelectionKey.OP_CONNECT 可接收SelectionKey.OP_ACCEPT
注册通道的操作类型方法如下
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);同时注册一个通道的多个操作方法如下
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);选择器会查询每个channel的操作事件如果是该channel注册的操作已就绪则进⾏响应。注意这⾥channel的操作指的是channel完成某个操作的条件表示该channel对于该操作已处于就绪状态。⽐如ServerSocketChannel已准备好接收新的连接那么它注册的 SelectionKey.OP_ACCEPT 操作就处于就绪状态。再比如SocketChannel已准备好去连接Server服务器那么它注册的SelectionKey.OP_CONNECT 操作就处于就绪状态。于是Selector就可以触发之后的动作。
SelectionKey选择键
SelectionKey封装了Channel和注册的操作。 当Selector调⽤select()⽅法时会轮询所有注册在它身上的Channel查看是否有处于某个操作已注册到selector上的就绪状态的Channel把这些Channel放⼊到SelectionKey的集合中。
Selector用法
创建Selector
Selector selector Selector.open();非阻塞Channel注册 注意Channel必须处于非阻塞模式才能注册到Selector上注册示例代码如下
package com.execute.batch.executebatch;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;/*** author hulei* date 2024/6/5 17:58*/public class ChannelRegister {private static final System.Logger logger System.getLogger(ChannelRegister.class.getName());public static void main(String[] args) throws IOException {// 1.创建SelectorSelector selector Selector.open();// 2.获得Channeltry (ServerSocketChannel serverSocketChannel ServerSocketChannel.open();){// 3.设置成非阻塞的模式serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 4.绑定端口serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9001));// 5.注册channel到selector上SelectionKey selectionKey serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);}catch (Exception e){logger.log(System.Logger.Level.ERROR, 注册channel到selector上失败);}}
}
Selector轮询就绪状态的Channel Selector通过调⽤select⽅法轮询已就绪的通道操作。select⽅法是阻塞的直到⾄少有⼀个通道的注册操作已就绪。当完成select⽅法调⽤后被选中的已就绪的所有channel通过Selector的selectedKeys()⽅法获得该⽅法获得的是⼀个SelectionKey集合其中每⼀个SelectionKey都表示⼀个Channel。于是可以根据SelectionKey的注册操作来做具体的业务处理。下面是一个简单的轮询示例。
package com.execute.batch.executebatch;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;/*** author hulei* date 2024/6/6 10:30*/public class SelectorLoop {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建selectorSelector selector Selector.open();// 创建serverSocketChannelServerSocketChannel serverSocketChannel ServerSocketChannel.open();// 非阻塞serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 绑定端口serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9001));// 注册serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// selector轮询while (true){// 阻塞等待某个操作就绪状态的channelselector.select();// 获得一个集合里面包含了这次selector执行select方法获得的发生就绪状态的多个channelSetSelectionKey selectionKeys selector.selectedKeys();// 遍历所有的channelIteratorSelectionKey iterator selectionKeys.iterator();while (iterator.hasNext()){SelectionKey key iterator.next();if (key.isReadable()){System.out.println(readable);}else if (key.isAcceptable()){System.out.println(acceptable);}else if (key.isConnectable()){System.out.println( connectable);}else if (key.isWritable()){System.out.println( writable);}// 保证下次channel有就绪状态的操作发生时可以被selector轮询到iterator.remove();}}}
}
Selector通信示例
服务端示例代码
package com.execute.batch.executebatch;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;
import java.util.Set;/*** author hulei* date 2024/6/6 10:55*/public class NIOServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 获得ChannelServerSocketChannel serverSocketChannel ServerSocketChannel.open();// 设置成非阻塞serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 绑定端口号serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9002));// 获得SelectorSelector selector Selector.open();// 把channel注册到selector上面, 监听accept事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 让selector轮询监听while (true){// 阻塞直到有通道就绪selector.select();SetSelectionKey selectionKeys selector.selectedKeys();// 获取有动作的selectionKey channelIteratorSelectionKey iterator selectionKeys.iterator();while (iterator.hasNext()){SelectionKey selectionKey iterator.next();handle(selectionKey);// 删除key表示处理完成iterator.remove();}}}private static void handle(SelectionKey selectionKey) throws IOException {if (selectionKey.isAcceptable()){// 当服务端处于接收的就绪状态// 获得selectionKey中的channelServerSocketChannel serverSocketChannel (ServerSocketChannel)selectionKey.channel();// 接收客户端连接获得socketChannelSocketChannel socketChannel serverSocketChannel.accept();// 设置成非阻塞状态否则无法被selector复用socketChannel.configureBlocking(false);// 把socketChannel注册到selector上让selector对socketChannel的read操作感兴趣socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ);}else if (selectionKey.isReadable()){// 当socketChannel处于读数据的就绪状态SocketChannel socketChannel (SocketChannel) selectionKey.channel();// 读取socketChannel中的数据//设置成非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);// 创建BufferByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024);// 读数据int len;while ((len socketChannel.read(buffer)) 0){// 翻转buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));// 清除buffer中的数据buffer.clear();}socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_WRITE);}else if (selectionKey.isWritable()){SocketChannel socketChannel (SocketChannel) selectionKey.channel();socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(hello.getBytes()));socketChannel.close();selectionKey.cancel();}else if (selectionKey.isConnectable()){System.out.println(连接就绪);SocketChannel socketChannel (SocketChannel) selectionKey.channel();if (socketChannel.finishConnect()){socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ);}selectionKey.cancel();socketChannel.close();}}}
客户端示例代码
package com.execute.batch.executebatch;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;/*** author hulei* date 2024/6/6 10:59*/public class NIOClient {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建ChannelSocketChannel socketChannel SocketChannel.open(new InetSocketAddress(localhost, 9002));// 设置成非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);// 得到bufferByteBuffer buffer ByteBuffer.allocate(1024);// 把数据写入到buffer中buffer.put(hello selector.getBytes());// 反转bufferbuffer.flip();// 把buffer中的数据写入到channel中socketChannel.write(buffer);// 关闭socketChannel.close();}
}
执行结果如下客户端代码点了多次运行
