Java NIO系列 - 概述

Posted 2021-01-08 零壹技术栈

前言

Java NIO全称java non-blocking IO，是指jdk1.4及以上版本里提供的新api(New IO)，为所有的原始类型(boolean类型除外)提供缓存支持的数据容器，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式，Channel、Buffer和Selector构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。

• 通道和缓冲区 (Channel and Buffer)：

标准的IO基于字节流和字符流进行单向的数据读写操作。而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作，数据总是从通道中读取到缓冲区中，或者从缓冲区中写入到通道中。

• 异步IO (Asynchronous 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；当数据被线程写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。

• 选择器 (Selector)：

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，数据读取和数据写入）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。

下面就来详细介绍Java NIO的相关知识。

正文

1. Java NIO概述

Java NIO由以下几个核心部分组成：

• Channel
• Buffer
• Selector

1.1. Channel和Buffer

基本上，所有的IO 在NIO中都从一个Channel`开始：

通道Channel有点像流(Stream)，两者可以做个简单对比：

• 流是单向的，一个流对象要么是输出流、要么是输入流。
• 通道是全双工的，一个通道通常搭配缓存一起使用。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和Buffer`有好几种类型。

JAVA NIO中的一些主要Channel的实现，主要涵盖了文件IO和UDP、TCP的网络IO：

• FileChannel：从文件中读写数据
• ServerSocketChannel：能通过UDP读写网络中的数据
• SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据
• DatagramChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

JAVA NIO中关键的Buffer实现，涵盖了除boolean的其余7种基本数据类型(byte、short、int、long、float、double 和 char)：

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

1.2. Selector

Selector允许单线程处理多个Channel的连接事件和数据读写。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：一个聊天服务器。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

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。

事件类型主要包括：新连接进来、数据接收、数据发送等。

2. Java NIO对比IO

上面提到了NIO主要的组件和特性，在实际的IO操作中，应该如何在标准IO和NIO进行选择，这里就需要具体对比两者的差异，并引入一些概念。

	IO	NIO
底层读写实现	面向流读写	面向缓冲区读写
是否有选择器	无	基于选择器的事件分离
IO是否阻塞	阻塞式IO	非阻塞式IO

2.1. 底层读写实现

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。

• 面向流

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。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。

• 面向缓冲区

Java NIO的缓冲导向方法略有不同。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。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

2.2. 是否有选择器

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道。

IO的读写速度和CPU的处理速度相差了一个数量级，导致IO事件延长了CPU的空闲等待时间，导致性能上的瓶颈。为了尽量的缩短CPU的等待时间，在单个IO操作进行时CPU可以抽出身来去做别的事情(其他IO)，NIO引入单线程处理多IO事件的概念，从而充分利用CPU分配的资源。

Java NIO允许已注册的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。这种选择机制，使得一个单线程很容易地管理多个通道。

2.3. IO是否阻塞

所谓阻塞，就是线程在进行IO操作时，不能抽出身来去干其他事情，必须等待数据读写完成。

• Java IO的各种流是阻塞的。

  • 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。

• Java NIO的非阻塞的。

  • 当监听某个通道的读操作事件时，线程向该通道发送请求读取数据，之后这个线程就可以去干别的事情。
  • 当监听某个通道的写操作事件时，线程向请求向该通道写入数据，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。

  线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

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