首先了解下所谓的java nio是个什么东西！

Posted 2020-11-20 qwangxiao

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了首先了解下所谓的java nio是个什么东西！相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

首先了解下所谓的java nio是个什么东西！
IO是靠字符或字节进行传输，比较慢！而NIO是靠块，也就相当于一个Buffer，一块一块
的传输，速度较快
！同时加入了多线程
的控制，一个NIO流可以同时传输多个块等，也就是所谓的异步传输
；
传统
的并发型
服务器设计是利用阻塞型网络I/O
以多线程的模式（一个SOCKET链接，服务端就启动一个线程接受服务
）来实现的，然而由
于系统常常在进行网络读写时处于阻塞状态，会大大影响系统的性能
；自Java1. 4 开始引入
了NIO(新I/O) API，通过使用非阻塞型
I/O
，实现流畅的网络读写操作，为开发高性能并发
型服务器程序提供了一个很好的解决方案。这就是java nio
首先来看下传统的阻塞型网络 I/O的不足 Java 平台传统的I/O 系统都是基于Byte（字节）和Stream（数据流）的，相应的I/O 操作都是阻塞型的
，
所以服务器程序也采用阻塞型I/O
进行数据的读、写操作。本文以TCP长连接模式来讨论并发型服务器的相关设计，为了实现服务器程序的并发性要求，系统由一个单独的主线程来监听用户发起的
连接请求，一直处于阻塞状态；当有用户连接请求到来时，程序都会启一个新的线程来统一处理用户数据的读、写操作。
这种模式的优点是简单、实用、易管理；然而缺点也是显而易见的：由于是为每一个客户端分配一个线程来处理输入、输出数据，其线程与客户机的比例近似为1：1
，随着线程数量的不断增加，服务器启动了大量的并发线程，会大大加大系统对线程的管理开销
，这将成为吞吐量瓶颈的主要原因
；其次由于底层的I/O 操作采用的同步模式，I/O 操作的阻塞管理粒度是以服务于请求的线程为单位的,有可能大量的线程会闲置,处于盲等状态，造成I/O资源利用率不高，影响整个系统的性能。
对于并发型服务器，系统用在阻塞型I/O 等待和线程间切换的时间远远多于
CPU 在内
存中处理数据的时间，因此传统的阻塞型I/O 已经成为制约系统性能的瓶颈。Java1.4 版本
后推出的NIO 工具包，提供了非阻塞型I/O 的异步输入输出
机制
，为提高系统的性能提供
了可实现的基础机制。
NIO 包及工作原理
针对传统I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（缓冲区）、Channel（通
道）、Selector（选择器）的新模式；Selector（选择器）、可选择的Channel（通道）和
SelectionKey（选择键）配合起来使用，可以实现并发的非阻塞型I/O 能力。
NIO 工具包的成员

Buffer（缓冲器）

1. 基本概念

IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现，底层通过 I/O 指令进行完成。

所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。 (c 的 printf scanf,Java 的面向对象封装 )

2. Java 标准 io 回顾

Java 标准 IO 类库是 io 面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现，我们无须关注底层实现。 InputStreamOutputStream( 字节流 )：一次传送一个字节。 ReaderWriter( 字符流 ) ：一次一个字符。

3. nio 简介

nio 是 Java New IO 的简称，在 jdk1.4 里提供的新 api 。 Sun 官方标榜的特性如下：

– 为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。

– 字符集编码解码解决方案。

– Channel ：一个新的原始 I/O 抽象。

– 支持锁和内存映射文件的文件访问接口。

– 提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。

本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。

4. Buffer&Chanel

Channel 和 buffer 是 NIO 是两个最基本的数据类型抽象。

Buffer:

– 是一块连续的内存块。

– 是 NIO 数据读或写的中转地。

Channel:

– 数据的源头或者数据的目的地

– 用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据 ,buffer 对象的唯一接口。

– 异步 I/O 支持

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图1：channel和buffer关系

例子 1:CopyFile.java:

Java代码

package sample;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class CopyFile www.2018yulpt.com {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String infile = "C:\copy.sql";
String outfile = "C:\copy.txt";
// 获取源文件和目标文件的输入输出流
FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
// 获取输入输出通道
FileChannel fcin = fin.getChannel(www.thqpt.com);
FileChannel fcout = fout.getChannel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (true)www.fencaiyule.cn {
// clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据
buffer.clear();
// 从输入通道中将数据读到缓冲区
int r = fcin.www.dongfan178.com/ read(buffer);
// read方法返回读取的字节数，可能为零，如果该通道已到达流的末尾，则返回-1
if (r == -1) {
break;
}
// flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
buffer.flip();
// 从输出通道中将数据写入缓冲区
fcout.write(buffer);
}
}
}

其中 buffer 内部结构如下 ( 下图拷贝自资料 ):

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图2：buffer内部结构

一个 buffer 主要由 position,limit,capacity 三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格：

参数	写模式	读模式
position	当前写入的单位数据数量。	当前读取的单位数据位置。
limit	代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。	代表最多能读多少单位数据，和之前写入的单位数据量一致。
capacity	buffer 容量	buffer 容量

Buffer 常见方法：

flip(): 写模式转换成读模式

rewind() ：将 position 重置为 0 ，一般用于重复读。

clear() ：清空 buffer ，准备再次被写入 (position 变成 0 ， limit 变成 capacity) 。

compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。

mark() 、 reset():mark 可以标记一个位置， reset 可以重置到该位置。

Buffer 常见类型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、ShortBuffer 。

channel 常见类型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。 ( 具体代码可以见附件。见 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是参考数据：

– 场景 1 ： Copy 一个 370M 的文件

– 场景 2: 三个线程同时拷贝，每个线程拷贝一个 370M 文件

场景

FileInputStream+

FileOutputStream

FileInputStream+

BufferedInputStream+

FileOutputStream

ByteBuffer+

FileChannel

MappedByteBuffer

+FileChannel

场景一时间( 毫秒)

25155

17500

19000

16500

场景二时间( 毫秒 )

69000

67031

74031

71016

5. nio.charset

字符编码解码 : 字节码本身只是一些数字，放到正确的上下文中被正确被解析。向 ByteBuffer 中存放数据时需要考虑字符集的编码方式，读取展示 ByteBuffer 数据时涉及对字符集解码。

Java.nio.charset 提供了编码解码一套解决方案。

以我们最常见的 http 请求为例，在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。

以下代码向 baidu 发一次请求，并获取结果进行显示。例子演示到了 charset 的使用。

例子 2BaiduReader.java

Java代码

package nio.readpage;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建GBK字符集
private SocketChannel channel;
public void readhtmlContent() {
try {
InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
"www.baidu.com", 80);
//step1:打开连接
channel = SocketChannel.open(socketAddress);
//step2:发送请求，使用GBK编码
channel.write(charset.encode("GET " www.yongxinzaixian.cn+ "/ HTTP/1.1" + " "));
//step3:读取数据
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲
while (channel.read(buffer) != -1) {
buffer.flip(www.078881.cn);// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
// 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
buffer.clear();// 清空缓冲
}
} catch (IOException e) {
System.err.println(e.toString());
} finally {
if (channel != null) {
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new BaiduReader().readHTMLContent();
}
}

6. 非阻塞 IO

关于非阻塞 IO 将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心 API 几个方面来理解。

何为阻塞？

一个常见的网络 IO 通讯流程如下 :

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图3：网络通讯基本过程

从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞 :

在以上过程中若连接还没到来，那么 accept 会阻塞 , 程序运行到这里不得不挂起， CPU 转而执行其他线程。

在以上过程中若数据还没准备好， read 会一样也会阻塞。

阻塞式网络 IO 的特点：多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些 CPU 时间。每个线程遇到外部为准备好的时候，都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口，一天只会有几次请求进来，但是该 cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试，大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞？

下面有个隐喻：

一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？

1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 )

2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )

很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。

由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。

事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。

线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

以下是异步 IO 的结构：