本文將圍繞這幾個特性進行學習和介紹。

4. Buffer&Chanel

Channel 和 buffer 是 NIO 是兩個最基本的數(shù)據(jù)類型抽象。

Buffer:

– 是一塊連續(xù)的內(nèi)存塊。

– 是 NIO 數(shù)據(jù)讀或?qū)懙闹修D(zhuǎn)地。

Channel:

– 數(shù)據(jù)的源頭或者數(shù)據(jù)的目的地

– 用于向 buffer 提供數(shù)據(jù)或者讀取 buffer 數(shù)據(jù) ,buffer 對象的唯一接口。

– 異步 I/O 支持

例子 1:CopyFile.java

    package sample;

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

public class CopyFile {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String infile = "C:\\copy.sql";
		String outfile = "C:\\copy.txt";
		// 獲取源文件和目標文件的輸入輸出流
		FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
		// 獲取輸入輸出通道
		FileChannel fcin = fin.getChannel();
		FileChannel fcout = fout.getChannel();
		// 創(chuàng)建緩沖區(qū)
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
		while (true) {
			// clear方法重設緩沖區(qū)，使它可以接受讀入的數(shù)據(jù)
			buffer.clear();
			// 從輸入通道中將數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)
			int r = fcin.read(buffer);
			// read方法返回讀取的字節(jié)數(shù)，可能為零，如果該通道已到達流的末尾，則返回-1
			if (r == -1) {
				break;
			}
			// flip方法讓緩沖區(qū)可以將新讀入的數(shù)據(jù)寫入另一個通道
			buffer.flip();
			// 從輸出通道中將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)
			fcout.write(buffer);
		}
	}
}
  

其中 buffer 內(nèi)部結構如下 ( 下圖拷貝自資料 ):

圖2：buffer內(nèi)部結構

一個 buffer 主要由 position,limit,capacity 三個變量來控制讀寫的過程。此三個變量的含義見如下表格：

Buffer 常見方法：

flip(): 寫模式轉(zhuǎn)換成讀模式

rewind() ：將 position 重置為 0 ，一般用于重復讀。

clear() ：清空 buffer ，準備再次被寫入 (position 變成 0 ， limit 變成 capacity) 。

compact(): 將未讀取的數(shù)據(jù)拷貝到 buffer 的頭部位。

mark() 、 reset():mark 可以標記一個位置， reset 可以重置到該位置。

Buffer 常見類型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

channel 常見類型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

在本機上面做了個簡單的性能測試。我的筆記本性能一般。 ( 具體代碼可以見附件。見 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是參考數(shù)據(jù)：

– 場景 1 ： Copy 一個 370M 的文件

– 場景 2: 三個線程同時拷貝，每個線程拷貝一個 370M 文件

5. nio.charset

字符編碼解碼 : 字節(jié)碼本身只是一些數(shù)字，放到正確的上下文中被正確被解析。向 ByteBuffer 中存放數(shù)據(jù)時需要考慮字符集的編碼方式，讀取展示 ByteBuffer 數(shù)據(jù)時涉及對字符集解碼。

Java.nio.charset 提供了編碼解碼一套解決方案。

以我們最常見的 http 請求為例，在請求的時候必須對請求進行正確的編碼。在得到響應時必須對響應進行正確的解碼。

以下代碼向 baidu 發(fā)一次請求，并獲取結果進行顯示。例子演示到了 charset 的使用。

例子 2BaiduReader.java

    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");// 創(chuàng)建GBK字符集
	private SocketChannel channel;
	public void readHTMLContent() {
		try {
			InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
"www.baidu.com", 80);
//step1:打開連接
			channel = SocketChannel.open(socketAddress);
		//step2:發(fā)送請求，使用GBK編碼
			channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
			//step3:讀取數(shù)據(jù)
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 創(chuàng)建1024字節(jié)的緩沖
			while (channel.read(buffer) != -1) {
				buffer.flip();// flip方法在讀緩沖區(qū)字節(jié)操作之前調(diào)用。
				System.out.println(charset.decode(buffer));
				// 使用Charset.decode方法將字節(jié)轉(zhuǎn)換為字符串
				buffer.clear();// 清空緩沖
			}
		} 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

關于非阻塞 IO 將從何為阻塞、何為非阻塞、非阻塞原理和異步核心 API 幾個方面來理解。

何為阻塞？

一個常見的網(wǎng)絡 IO 通訊流程如下 :

圖3：網(wǎng)絡通訊基本過程

從該網(wǎng)絡通訊過程來理解一下何為阻塞 :

在以上過程中若連接還沒到來，那么 accept 會阻塞 , 程序運行到這里不得不掛起， CPU 轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他線程。

在以上過程中若數(shù)據(jù)還沒準備好， read 會一樣也會阻塞。

阻塞式網(wǎng)絡 IO 的特點：多線程處理多個連接。每個線程擁有自己的棧空間并且占用一些 CPU 時間。每個線程遇到外部為準備好的時候，都會阻塞掉。阻塞的結果就是會帶來大量的進程上下文切換。且大部分進程上下文切換可能是無意義的。比如假設一個線程監(jiān)聽一個端口，一天只會有幾次請求進來，但是該 cpu 不得不為該線程不斷做上下文切換嘗試，大部分的切換以阻塞告終。

何為非阻塞？

下面有個隱喻：

一輛從 A 開往 B 的公共汽車上，路上有很多點可能會有人下車。司機不知道哪些點會有哪些人會下車，對于需要下車的人，如何處理更好？

1. 司機過程中定時詢問每個乘客是否到達目的地，若有人說到了，那么司機停車，乘客下車。 ( 類似阻塞式 )

2. 每個人告訴售票員自己的目的地，然后睡覺，司機只和售票員交互，到了某個點由售票員通知乘客下車。 ( 類似非阻塞 )

很顯然，每個人要到達某個目的地可以認為是一個線程，司機可以認為是 CPU 。在阻塞式里面，每個線程需要不斷的輪詢，上下文切換，以達到找到目的地的結果。而在非阻塞方式里，每個乘客 ( 線程 ) 都在睡覺 ( 休眠 ) ，只在真正外部環(huán)境準備好了才喚醒，這樣的喚醒肯定不會阻塞。

非阻塞的原理

把整個過程切換成小的任務，通過任務間協(xié)作完成。

由一個專門的線程來處理所有的 IO 事件，并負責分發(fā)。

事件驅(qū)動機制：事件到的時候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)視事件。

線程通訊：線程之間通過 wait,notify 等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的進程切換。

以下是異步 IO 的結構：

圖4：非阻塞基本原理

Reactor 就是上面隱喻的售票員角色。每個線程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計算處理、編碼、發(fā)送響應。

異步 IO 核心 API

Selector

異步 IO 的核心類，它能檢測一個或多個通道 (channel) 上的事件，并將事件分發(fā)出去。

使用一個 select 線程就能監(jiān)聽多個通道上的事件，并基于事件驅(qū)動觸發(fā)相應的響應。而不需要為每個 channel 去分配一個線程。

SelectionKey

包含了事件的狀態(tài)信息和時間對應的通道的綁定。

例子 1 單線程實現(xiàn)監(jiān)聽兩個端口。 ( 見 nio.asyn 包下面的例子。 )

例子 2 NIO 線程協(xié)作實現(xiàn)資源合理利用。 (wait,notify) 。 ( 見 nio.asyn.multithread 下的例子 )

JAVA NIO 簡介