Java I/O：NIO中的Channel

Posted 2022-10-20

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为了解决标准Java I/O令人难以忍受的效率问题，从JDK1.4开始，NIO出现了（Non-blocking I/O，官方称之为New I/O）。NIO不但新增加了许多全新的类，而且还对原来的很多类进行了改写。之所以是NIO，是因为使用它的场景众多，譬如开发中必不可少的Tomcat，以及大名鼎鼎的Netty，而Netty更是把NIO发挥到了极致，成为了RPC技术事实上的标准，所以它在JDK1.7中又升级为了AIO（NIO2）。

NIO主要有三大核心部分：

• Channel（通道）
• Buffer（缓冲区）
• Selector（选择器/多路复用器）

传统I/O基于字节流或字符流进行操作，而NIO基于新的Channel和Buffer进行操作。这是它们的比较：

至于原理，不用记，可以这么来理解（我始终秉持的态度是：如果你在大厂是自研类RPC系统或类MQ中间件的，那这个一定要精通；否则理解就好，不必死磕）：

可以看到，I/O就像个直肠子，直来直去，对数据流完全是来者不拒，来多少接多少，也不管能不能处理得了，这样极容易造成线程阻塞，也就是电脑卡顿。

而NIO就有点弯弯绕了，它告诉线程：“如果我忙不过来就别等我，你先忙你的”。所以，按照这个约定，如果线程发现它不搭理自己的时候就会去忙别的。不会造成信息堵车。

Channel接口最重要的实现可以分为两大类：用于本地文件和用于网络的Channel。

• FileChannel：用于本地文件数据的读写
• DatagramChannel：用于网络UDP数据的读写
• SocketChannel：客户端用于实现网络TCP数据的读写
• ServerSocketChannel：服务端用于监听网络TCP的连接请求，每个请求会创建会一个SocketChannel（即客户端连接）

这是和Channel相关的继承结构图：

I/O本就枯燥，如果只是空洞说技术原理就更毫无价值，还是上代码，把NIO和IO比较一下。

创建一个普通的Java项目：

然后随便在网上或者自己电脑上找一个大文件，比如小电影之类的，写这样的代码：

// 把file1中的内容写到file2中去，看看耗时
// I/O读写
long start = System.currentTimeMillis();
try 
    FileInputStream fis = new FileInputStream("你电脑上已经存在的文件路径，例如C:\\\\file1");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("你电脑上还不存在的文件路径，例如C:\\\\file2");
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(fis), 1024);
    String line = null;
    while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) 
        fos.write(line.getBytes());
    
    fis.close();
    fos.close();
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

然后再稍稍改进一下，看看byte[]相对于BufferedReader的不同：

// 把file1中的内容写到file3中去，看看耗时
// I/O读写（改进）
start = System.currentTimeMillis();
try 
    FileInputStream fis = new FileInputStream("你电脑上已经存在的文件路径，例如C:\\\\file1");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("你电脑上还不存在的文件路径，例如C:\\\\file3");
    byte[] b = new byte[1024];
    int len = 0;
    while ((len = fis.read(b)) != -1) 
        fos.write(b, 0, len);
    
    fis.close();
    fos.close();
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

最后再用NIO试试看：

// 把file1中的内容写到file4中去，看看耗时
// NIO读写
start = System.currentTimeMillis();
try 
    FileChannel fis = new FileInputStream("你电脑上已经存在的文件路径，例如C:\\\\file1").getChannel();
    FileChannel fos = new FileOutputStream("你电脑上还不存在的文件路径，例如C:\\\\file4").getChannel();
    ByteBuffer bytedata = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (fis.read(bytedata) != -1) 
        // 读写交叉进行
        bytedata.flip();
        fos.write(bytedata);
        bytedata.clear();
    
    fis.close();
    fos.close();
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

在main()方法中分别执行这三个方法，看看耗时上有啥不同。尽量找很大的文件，比如几个G的那种。因为现在计算机的配置都比较高，文件太小，一会就读完了，根本看不出来差别。

另外，另外，在NIO中如果一个channel是FileChannel类型的，那么可以直接把FileChannel的数据传输到另一个Channel，就像这样：

SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel的使用也比较简单，就不堆代码了。

Channel还提供了一种被称为Scatter/Gather（分散/聚集）的新功能（也称为Vectored I/O，矢量I/O），它在多个Buffer上实现一个简单的I/O操作。说人话就是：Scatter是把单个Channel的数据发给多个Buffer（分散），而Gather则是把多个Buffer的数据发给单个Channel（聚集），就像这样：

同样可以用代码来演示一下：

// Scattering reads分散过程
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray1 =  buffer1, buffer2 ;
FileChannel channel1 = new FileInputStream("/testfile1").getChannel();
channel1.read(bufferArray1);

// Gathering writes聚集过程
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer buffer4 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray2 =  buffer1, buffer2 ;
FileChannel channel2 = new FileInputStream("/testfile1").getChannel();
channel2.write(bufferArray2);

好了，NIO也属于Java中比较重要的内容，说多了容易搞晕。慢慢来～

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