Java NIO之Java中的IO分类

Posted 2020-12-02 纪莫

前言 

前面两篇文章（Java NIO之理解I/O模型（一）、Java NIO之理解I/O模型（二））介绍了，IO的机制，以及几种IO模型的内容，还有涉及到的设计模式。这次要写一些更贴近实际一些的内容了，终于要说到了Java中的各种IO了。我也是边学边理解，有写的不对的地方，欢迎小伙伴们指出和补充。

Java中的IO分类

BIO

BIO是指 Blocking IO 在JDK1.0的时候就引入了，直到JDK1.4一直都是Java中唯一的IO方式。它的主要实现方式就是，一个线程执行一个请求，如果请求数据量较大线程就会一直占用着，又或者请求什么也不做，也是会占用一个线程的，这样当客户端请求数量变多时，服务端线程数也跟着变多，最终就会导致服务端CPU崩溃的。当然可以使用线程池来减小CPU的压力，但是毕竟线程池也不是从本质上解决问题（长链接，线程池大小，以及拒绝策略等等因素都要考虑）。

无论是网络连接还是本地读取输出操作都是这种方式。具体的例子我就不举了（毕竟BIO不是本次的重点）。

NIO

Java中的NIO其实就是使用的多路I/O复用模型，前面的文章已经介绍过原理了，但是在理解Java的NIO之前，还是先介绍几个Java NIO的基础概念：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

Channel（通道）

Channel可以理解为，互通的管道，和Java的IO中的各种Stream(InputStream、OutputStream等等)一个等级，只不过Channel是双向的，而Stream是单向的。通道的作用是将数据移入或移出道各种I/O源，即可读又可写。

在Java中Channel类的层次结构相当复杂，有多个接口和许多可选操作。不过，常用的也就几个。

FileChannel

DatagramChannel

SocketChannel

ServerSocketChannel

FileChannel可以对文件进行读和写，DatagramChannel可以以UDP的协议来进行数据读写，SocketChannel以TCP的协议来对网络两端进行读写，ServerSocketChanel能够监听客户端发起的TCP连接，并为每个TCP连接创建一个新的SocketChannel来进行数据读写。

Buffer（缓冲区）

Buffer是一个高效的数据容器，在NIO中所有的数据操作都必须经过缓冲区，这点是和BIO不同的，BIO是直接将数据写到Stream对象中的。因为Stream对象的设计是按顺序一个字节一个字节的传送数据。虽然出于性能考虑，也可以传递字节数组，但是基本概念都是一个字节一个字节的传递数据。通道与之不同之处在于，通道会传送缓冲区的数据块，而且通道的基本概念就是按照一个数据块一个数据块的去读和写。所以也可以将缓冲区理解为一个字节数组，专门用来存储以及准备好出入通道的字节。

如下图：

 

如上图所示，无论是客户端发送和接收数据，还是服务端接收和相应数据，都是从缓冲区中进行数据操作的。

在Java中除了boolean外，所有的基本数据类型都有特定的Buffer子类：

ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。网络程序几乎只会使用ByteBuffer，但程序偶尔也会使用其他类型来取代ByteBuffer。

除了数据列表外，每个缓冲区都记录了信息的4个关键部分。无论是何种类型，都有相同的方法来获取和设置这些值：

• 位置（position）

缓冲区中将读取或写入的下一个位置。这个位置从0开始计，最大值等于缓冲区的大小。可以用下面两个方法获取和设置。

public final int position();
public final Buffer position(int newPosition);

• 容量（capacity）

缓冲区可以保存的最大数目。容量值在创建缓冲区时设置，此后不能改变。

可以用以下方法读取：

public final int capacity();

• 限度（limit）

缓冲区中可访问数据的末尾位置。只要不改变限度，就无法读/写超过这个位置的数据，即使缓冲区有更大的容量也没有用。限度可以用下面两个放获取和设置。

public final int limit();
public final Buffer limit(int newLimit);

• 标记（mark）

缓冲区中客户端指定的索引。通过调用mark()可以将标记设置为当前位置。调用reset()可以将当前位置设置为所标识的位置。

public final Buffer mark() ;
public final Buffer reset();

如果将位置设置为低于现有标记，则丢弃这个标记。

与读取InputStream不同，读取缓冲区实际上不会以任何方式改变缓冲区中的数据。只可能向前或向后设置位置，从而可以从缓冲区中某个特定位置开始读取。类似的程序可以调整限度，从而控制将要读取的数据的末尾。只有容量是固定的。

Selector（选择器）

Selector是Java NIO中最重要的一部分，Selector的作用就是用单线程来轮询处理注册的Channel，一旦哪个Channel的数据准备就绪了，就可以进行处理了。

如下图：

使用Selector，要先向Selector中注册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Channel中的事件准备就绪。一旦select()方法返回，线程就可以处理这些事件了，比如新的连接进入，数据接收等。

Selector类并没有注册新通道的方法，register()方法是在SelectableChannel类中声明。SelectableChannel类是实现自Channel接口的，它支持将Channel注册到Selector中。

SelectableChannel提供了两个注册Channel的方法：

public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att) throws ClosedChannelException;
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops) throws ClosedChannelException;

第一个参数代表通道要向哪个选择器注册。第二个参数是SelectionKey类中的一个命名常量，标识所注册的操作。

SelectionKey定义了4个命名位常量，用户选择操作类型：

SelectionKey.OP_READ;
SelectionKey.OP_WRITE;
SelectionKey.OP_CONNECT;
SelectionKey.OP_ACCEPT;

当一个通道需要在同一个选择器中关注多个操作，只需要用户位“或”操作符组合这些常量即可。

channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);

第三个参数是可选的，代表键的附件。这个参数通常用户存储链接状态，例如：如果要实现一个Web服务器，可能要附加一个FileInputStream或FileChannel，这个流或通道连接到服务器提供给客户端的本地文件。

例子：

复制文件的读写操作，可以用来举例说明NIO的一个大致过程。

public static void copyFileByNIO(String src,String dst) throws IOException {

        //声明源文件和目标文件
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile(src, "rw");
        RandomAccessFile bFile = new RandomAccessFile(dst, "rw");

        //获得传输通道channel
        FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
        FileChannel outChannel = bFile.getChannel();
        //获得容器buffer
        ByteBuffer buffer= ByteBuffer.allocate(1024);
        while(true){
            //判断是否读完文件
            int eof =inChannel.read(buffer);
            if(eof==-1){
                break;
            }
            //重设一下buffer的position=0，limit=position
            buffer.flip();
            //开始写
            outChannel.write(buffer);
            //写完要重置buffer，重设position=0,limit=capacity
            buffer.clear();
        }
        inChannel.close();
        outChannel.close();
        aFile.close();
        bFile.close();
    } 

AIO

AIO这次就不介绍了，我后续要单独的拿出一整篇来介绍AIO。