带你彻底吃透Java NIO
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了带你彻底吃透Java NIO相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
目录
一、Java思维导图
二、I/O模型
I/O模型的本质是用什么样的通道进行数据的发送和接收,很大程度上决定了程序通信的性能。
Java共支持三种网络编程模型:BIO、NIO、AIO
- BIO:同步并阻塞,服务实现模式为一个连接一个线程,即客户端有一个连接请求时,服务端就需要启动一个线程进行处理。
- NIO: 同步非阻塞,服务器实现模式为一个线程处理多个请求连接,即客户端发送的请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。
- AIO:异步非阻塞,AIO引入异步通道的概念,采用了Proactor模式,简化了程序编写,有效的请求才启动线程,它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端。
三、BIO、NIO、AIO应用场景
- BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高, 并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序简单易理解。
- NIO方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,弹幕 系统,服务器间通讯等。编程比较复杂,JDK1.4开始支持。
- AIO方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分 调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持
四、BIO编程简单流程
- 服务器端启动一个ServerSocket;
- 客户端启动Socket对服务器进行通 信,默认情况下服务器端需要对每 个客户 建立一个线程与之通讯;
- 客户端发出请求后, 先咨询服务器 是否有线程响应,如果没有则会等 待,或者被拒绝;
- 如果有响应,客户端线程会等待请 求结束后,在继续执行;
五、NIO核心
NIO 有三大核心部分:Selector(选择器)、Channel(通道)、Buffer(缓冲区)。
NIO是面向缓冲区,或者说面向块编程,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,使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
HTTP2.0使用了多路复用的技术,做到同一个连接并发处理多个请求,而且并发请求 的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。
简而言之,NIO可以一个线程处理多个请求。
六、BIO与NIO比较
- BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多;
- BIO 是阻塞的,NIO 则是非阻塞的;
- BIO基于字节流和字符流进行操作,而 NIO 基于 Channel(通道)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(选择器)用于监听多个通道的事件(比如:连接请求,数据到达等),因 此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。
七、NIO 三大核心原理示意图
流程图说明:
- Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个channel(连接);
- 该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序;
- 每个channel 都会对应一个Buffer;
- 程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念;
- Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换;
- Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组;
- 数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流,或者是 输出流, 不能双向,但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换;
- channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux , 底层的操作系统 通道就是双向的;
八、缓冲区(buffer)
缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块,可以理解成是一个 容器对象(含数组),该对象提供了一组方法,可以更轻松地使用内存块,,缓冲区对 象内置了一些机制,能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、 网络读取数据的渠道,但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。
在 NIO 中,Buffer 是一个顶层父类,它是一个抽象类。
1、常用Buffer子类一览
- ByteBuffer,存储字节数据到缓冲区;
- ShortBuffer,存储字符串数据到缓冲区;
- CharBuffer,存储字符数据到缓冲区;
- IntBuffer,存储整数数据到缓冲区;
- LongBuffer,存储长整型数据到缓冲区;
- DoubleBuffer,存储小数到缓冲区;
- FloatBuffer,存储小数到缓冲区;
2、buffer四大属性
- mark:标记
- position:位置,下一个要被读或写的元素的索引, 每次读写缓冲区数据时都会改变改值, 为下次读写作准备。
- limit:表示缓冲区的当前终点,不能对缓冲区 超过极限的位置进行读写操作。且极限 是可以修改的
- capacity:容量,即可以容纳的最大数据量;在缓 冲区创建时被设定并且不能改变。
3、buffer常用api
JDK1.4时,引入的api
- public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量
- public final int position( )//返回此缓冲区的位置
- public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置
- public final int limit( )//返回此缓冲区的限制
- public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制
- public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记
- public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
- public final Buffer clear( )//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态,但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
- public final Buffer flip( )//反转此缓冲区
- public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区
- public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数
- public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素
- public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
JDK1.6时引入的api
- public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
- public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组
- public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
- public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
九、通道(channel)
1、基本介绍
(1)NIO的通道类似于流
- 通道可以同时进行读写,而流只能读或者只能写;
- 通道可以实现异步读写数据
- 通道可以从缓冲读数据,也可以写数据到缓冲
(2)BIO 中的 stream 是单向的,例如 FileInputStream 对 象只能进行读取数据的操作,而 NIO 中的通道 (Channel)是双向的,可以读操作,也可以写操作。
(3)Channel在NIO中是一个接口
(4)常用的 Channel 类有:FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket。
(5)FileChannel 用于文件的数据读写, DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写, ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。
2、FileChannel
FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作,常见的方法有:
- read,从通道读取数据并放到缓冲区中
- write,把缓冲区的数据写到通道中
- transferFrom,从目标通道 中复制数据到当前通道
- transferTo,把数据从当 前通道复制给目标通道
3、关于Buffer 和 Channel的注意事项和细节
- ByteBuffer 支持类型化的put 和 get, put 放入的是什么数据类型,get就应该使用 相应的数据类型来取出,否则可能有 BufferUnderflowException 异常。
- 可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer。
- NIO 还提供了 MappedByteBuffer, 可以让文件直接在内存(堆外的内存)中进 行修改, 而如何同步到文件由NIO 来完成。
- NIO 还支持 通过多个 Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作,即 Scattering 和 Gathering。
十、Selector(选择器)
1、基本介绍
- Java 的 NIO,用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程,处理多个的客户端连 接,就会使用到Selector(选择器)。
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生,如果有事件发生,便获取事件然 后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个 通道,也就是管理多个连接和请求。
- 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时,才会进行读写,就大大地减少 了系统开销,并且不必为每个连接都创建一个线程,不用去维护多个线程。
- 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
2、selector的相关方法
- open();//得到一个选择器对象
- select(long timeout);//监控所有注册的通道,当其 中有 IO 操作可以进行时,将 对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回,参数用来 设置超时时间
- selectedKeys();//从内部集合中得 到所有的 SelectionKey。
3、注意事项
NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket,SocketChannel功能类 似Socket。
十一、通过NIO实现简单的服务端客户端通信
1、服务端
package com.nezha.guor.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
public class Nioserver
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private static final int PORT = 8080;
public NioServer()
try
//获得选择器
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//设置非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//将该ServerSocketChannel 注册到selector
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
catch (IOException e)
System.out.println("NioServer error:"+e.getMessage());
public void listen()
System.out.println("监听线程启动: " + Thread.currentThread().getName());
try
while (true)
int count = selector.select();
if(count > 0)
//遍历得到selectionKey集合
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext())
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isAcceptable())
SocketChannel sc = serverSocketChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
//通道发送read事件,即通道是可读的状态
if(key.isReadable())
getDataFromChannel(key);
//当前的key 删除,防止重复处理
iterator.remove();
else
System.out.println("等待中");
catch (Exception e)
System.out.println("listen error:"+e.getMessage());
private void getDataFromChannel(SelectionKey key)
SocketChannel channel = null;
try
channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根据count的值做处理
if(count > 0)
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println("来自客户端: " + msg);
//向其它的客户端转发消息(排除自己)
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
catch (IOException e)
try
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了");
//取消注册
key.cancel();
catch (IOException ex)
System.out.println("getDataFromChannel error:"+ex.getMessage());
finally
try
channel.close();
catch (IOException ex)
System.out.println("channel.close() error:"+ex.getMessage());
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys())
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self)
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将信息存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer数据写入通道
dest.write(buffer);
public static void main(String[] args)
//创建服务器对象
NioServer nioServer = new NioServer();
nioServer.listen();
2、客户端
package com.nezha.guor.nio;
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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
public class NioClient
private final int PORT = 8080; //服务器端口
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
public NioClient() throws IOException
selector = Selector.open();
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info)
info = username + " 说:" + info;
try
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
catch (IOException e)
System.out.println("sendInfo error:"+e.getMessage());
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo()
try
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0)
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext())
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable())
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
else
System.out.println("没有可以用的通道...");
catch (Exception e)
System.out.println("readInfo error:"+e.getMessage());
public static void main(String[] args) throws Exception
NioClient nioClient = new NioClient();
new Thread()
public void run()
while (true)
nioClient.readInfo();
try
Thread.currentThread().sleep(2000);
catch (InterruptedException e)
System.out.println("sleep error:"+e.getMessage());
.start();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine())
nioClient.sendInfo(scanner.nextLine());
3、控制台输出
十二、我愿称你为最强
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