Java NIO 与 IO之间的区别

概述

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式： 

• 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。
• 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。

使用场景

NIO

• 优势在于一个线程管理多个通道；但是数据的处理将会变得复杂；
• 如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，采用这种；

传统的IO

• 适用于一个线程管理一个通道的情况；因为其中的流数据的读取是阻塞的；
• 如果需要管理同时打开不太多的连接，这些连接会发送大量的数据；

NIO vs IO区别

NIO vs IO之间的理念上面的区别（NIO将阻塞交给了后台线程执行）

• 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；
  • NIO则能前后移动流中的数据，因为是面向缓冲区的
• IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的
  • Java 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
  • Java 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。NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。 
  • 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。
• 选择器
  • Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。 

Java NIO 由以下几个核心部分组成： 

• Channels
• Buffers
• Selectors

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示： 

Channel

Channel的实现： （涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO）

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

读数据：

• int bytesRead = inChannel.read(buf);

写数据：

• int bytesWritten = inChannel.write(buf);  

还有部分的使用，如配置Channel为阻塞或者非阻塞模式，以及如何注册到Selector上面去，参考Selector部分；

Buffer

Buffer实现： （byte,  char、short, int, long, float, double ）

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

Buffer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();
•  (char) 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
• 一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。
• 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);  

Buffer的三个属性

• capacity：含义与模式无关；Buffer的一个固定的大小值；Buffer满了需要将其清空才能再写；
  • ByteBuffer.allocate(48)；该buffer的capacity为48byte
  • CharBuffer.allocate(1024);该buffer的capacity为1024个char 
• position：含义取决于Buffer处在读模式还是写模式（初始值为0，写或者读操作的当前位置）
  • 写数据时，初始的position值为0；其值最大可为capacity-1
  • 将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0
• limit：含义取决于Buffer处在读模式还是写模式（写limit=capacity；读limit等于最多可以读取到的数据）
  • 写模式下，limit等于Buffer的capacity
  • 切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据；

Selector

概述

    Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（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，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。 

使用

1. 创建：Selector selector = Selector.open();  
2. 注册通道：
   • channel.configureBlocking(false);  
     • //与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式
     • //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)
   • SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ); 
     • //第二个参数表明Selector监听Channel时对什么事件感兴趣
     • //SelectionKey.OP_CONNECT  SelectionKey.OP_ACCEPT  SelectionKey.OP_READ SelectionKey.OP_WRITE
     • //可以用或操作符将多个兴趣组合一起
   • SelectionKey
     • 包含了interest集合 、ready集合 、Channel 、Selector 、附加的对象（可选）
     • int interestSet = key.interestOps()；可以进行类似interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT的判断
3. 使用：
   • select()：阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了
   • selectNow()：不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回
   • selectedKeys()：访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道
   • close()：使用完selector需要用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效

1. Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  
2. Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();  
3. while(keyIterator.hasNext()) {  
4.     SelectionKey key = keyIterator.next();  
5.     if(key.isAcceptable()) {  
6.         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.  
7.     } else if (key.isConnectable()) {  
8.         // a connection was established with a remote server.  
9.     } else if (key.isReadable()) {  
10.         // a channel is ready for reading  
11.     } else if (key.isWritable()) {  
12.         // a channel is ready for writing  
13.     } 
14.     keyIterator.remove();//注意这里必须手动remove；表明该selectkey我已经处理过了；
15. }

Java测试关键代码

1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  //从一个InputStream outputstream中获取channel
3.   
4. //create buffer with capacity of 48 bytes  
5. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
6.   
7. int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  
8. while (bytesRead != -1) {  
9.   
10.   buf.flip();  //make buffer ready for read  
11.   
12.   while(buf.hasRemaining()){  
13.       System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time  
14.   }  
15.   
16.   buf.clear(); //make buffer ready for writing  
17.   bytesRead = inChannel.read(buf);  
18. }  
19. aFile.close();  

文件通道

1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  

读数据

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. int bytesRead = inChannel.read(buf);  

写数据

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();   
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. while(buf.hasRemaining()) {  
7.     channel.write(buf);  
8. } 

Socket 通道

1. SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();  
2. socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  

读数据

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. int bytesRead = socketChannel.read(buf);  

写数据

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. while(buf.hasRemaining()) {  
7.     socketChannel.write(buf);  
8. }  

ServerSocket 通道

1. ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  
2. serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
3. while(true){  
4.     SocketChannel socketChannel =  
5.             serverSocketChannel.accept();  
6.     //do something with socketChannel...  
7. } 

Datagram 通道(channel的读写操作与前面的有差异)

1. DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();  
2. channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  

读数据

1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
2. buf.clear();  
3. channel.receive(buf);
4. //receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。 

写数据

1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
3. buf.clear();  
4. buf.put(newData.getBytes());  
5. buf.flip();  
6. int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));