Java NIO2：NIO概述

Posted 2020-09-04 平凡希

一、概述

     从JDK1.4开始，Java提供了一系列改进的输入/输出处理的新特性，被统称为NIO(即New I/O)。新增了许多用于处理输入输出的类，这些类都被放在java.nio包及子包下，并且对原java.io包中的很多类进行改写，新增了满足NIO的功能。NIO采用内存映射文件的方式来处理输入输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样访问文件了。

NIO 与原来的 I/O 有同样的作用和目的，但是它使用不同的方式?  块I/O。块 I/O 的效率可以比流 I/O 高许多。

流与块的比较

     原来的 I/O 库(在 java.io.*中) 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式。正如前面提到的，原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

     面向流 的 I/O 系统一次一个字节地处理数据。一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据。为流式数据创建过滤器非常容易。链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责单个复杂处理机制的一部分，这样也是相对简单的。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相当慢。

     一个 面向块 的 I/O 系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。

     在NIO中有几个核心对象需要掌握：缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）。

二、缓冲区Buffer

     缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。具体看下面这张图就理解了：

    上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入Buffer中，然后将Buffer中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。

    在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

下面是一个简单使用IntBuffer的例子：

package com.demo.nio;

import java.nio.IntBuffer;

public class TestIntBuffer {

    public static void main(String[] args) {
        // 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量
        // 新缓冲区的当前位置将为零，其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组，其数组偏移量将为零。
        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);

        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
            int j = 2 * (i + 1);
            // 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增
            buffer.put(j);
        }

        // 重设此缓冲区，将限制设置为当前位置，然后将当前位置设置为0
        buffer.flip();

        // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素
        while (buffer.hasRemaining()) {
            // 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增
            int j = buffer.get();
            System.out.print(j + "  ");
        }
    }
}

运行后可以看到：

三、通道Channel

      Channel和传统IO中的Stream很相似。虽然很相似，但是有很大的区别，主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写，比如InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作；

      通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

      在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：

 

　   Channel(通道)表示到实体如硬件设备、文件、网络套接字或可以执行一个或多个不同I/O操作的程序组件的开放的连接。所有的Channel都不是通过构造器创建的，而是通过传统的节点InputStream、OutputStream的getChannel方法来返回响应的Channel。

　　Channel中最常用的三个类方法就是map、read和write，其中map方法用于将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer，而read或write方法有一系列的重载形式，这些方法用于从Buffer中读取数据或向Buffer中写入数据。

1、使用NIO读取数据

在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤： 
(1). 从FileInputStream获取Channel 
(2). 创建Buffer 
(3). 将数据从Channel读取到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO从文件中读取数据的例子：

import java.io.*;  
import java.nio.*;  
import java.nio.channels.*;  
  
public class Program {  
    public static void main( String args[] ) throws Exception {  
        FileInputStream fin = new FileInputStream("c:\\\\test.txt");  
          
        // 获取通道  
        FileChannel fc = fin.getChannel();  
          
        // 创建缓冲区  
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
          
        // 读取数据到缓冲区  
        fc.read(buffer);  
          
        buffer.flip();  
          
        while (buffer.remaining()>0) {  
            byte b = buffer.get();  
            System.out.print(((char)b));  
        }  
          
        fin.close();  
    }  
}  

2、使用NIO写入数据

使用NIO写入数据与读取数据的过程类似，同样数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为下面三个步骤：
(1). 从FileInputStream获取Channel
(2). 创建Buffer
(3). 将数据从Channel写入到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO向文件中写入数据的例子：

package com.demo.nio;

import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class Program {
    
    private static final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,
        98, 121, 116, 101, 115, 46 };

    public static void main( String args[] ) throws Exception {
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "c:\\\\test.txt" );
        
        FileChannel fc = fout.getChannel();
        
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
        
        for (int i=0; i<message.length; ++i) {
            buffer.put( message[i] );
        }
        
        buffer.flip();
        
        fc.write( buffer );
        
        fout.close();
    }

}

四、选择器Selector

      Selector类是NIO的核心类，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响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，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，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

　　与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，这2个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。