Java NIO简介

Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。 NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于 通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文 件的读写操作。

Java NIO 与IO的主要区别

IO	NIO
面向流(Stream Oriented)	面向缓冲区(Buffer Oriented)
阻塞IO(Blocking IO)	非阻塞IO(Non Blocking IO)
(无)	选择器(Selectors)

流，建立通道，直接面对数据的流动，输入输出都需要分别建立连接。（单向的）

管道：建立一个通道即可，通过buffer转载数据，buffer可读可写

传统的IO（面向流的）

NIO：可以把通道理解成铁路，本身不能完成运输，需要借助buffer转载数据。NIO是面向缓冲区的传输，通道只是连接

通道建立的是文件、磁盘、网络和程序的连接。比如磁盘文件的复制，我们需要建立被复制文件和程序的连接，将文件内容装入缓冲区中。然后建立复制文件和程序的通道，将缓冲区的内容写入新文件中。

@Test
public void testNIO() throws Exception {FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);System.out.println("读文件的内容....");fileChannel.read(buffer);buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));buffer.clear();System.out.println("写入内容到文件中文件... ");buffer.put("文件的新内容".getBytes());buffer.flip();fileChannel.write(buffer);buffer.clear();fileChannel.close();
}@Test
public void testIO() throws Exception {FileInputStream fis = new FileInputStream("1.txt");FileOutputStream fos = new FileOutputStream("1.txt");System.out.println("源文件内容：" + fis.read());fos.write("新的内容".getBytes());fos.close();fis.close();
}

缓冲区(Buffer)和通道(Channel)

通道和缓冲区

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、 套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取 用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲 区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

简而言之，Channel 负责传输， Buffer 负责存储

缓冲区(Buffer)

• 缓冲区（Buffer）：一个用于特定基本数据类 型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区 都是 Buffer 抽象类的子类。

• Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行 交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写 入通道中的。

一、缓冲区（Buffer）：在 Java NIO 中负责数据的存取。缓冲区就是数组。用于存储不同数据类型的数据
根据数据类型不同（boolean 除外），提供了相应类型的缓冲区：
ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer
上述缓冲区的管理方式几乎一致，通过 allocate() 获取缓冲区二、缓冲区存取数据的两个核心方法：
put() : 存入数据到缓冲区中
get() : 获取缓冲区中的数据三、缓冲区中的四个核心属性：
capacity : 容量，表示缓冲区中最大存储数据的容量。一旦声明不能改变。
limit : 界限，表示缓冲区中可以操作数据的大小。（limit 后数据不能进行读写）
position : 位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置。
mark : 标记，表示记录当前 position 的位置。可以通过 reset() 恢复到 mark 的位置
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
四、直接缓冲区与非直接缓冲区：
非直接缓冲区：通过 allocate() 方法分配缓冲区，将缓冲区建立在 JVM 的内存中
直接缓冲区：通过 allocateDirect() 方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率

直接与非直接缓冲区

• 字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则 Java 虚拟机会尽最大努力直接在 此缓冲区上执行本机 I/O 操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机 I/O 操作之前（或之后）， 虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中（或从中间缓冲区中复制内容）。

• 直接字节缓冲区可以通过调用此类的 allocateDirect() 工厂方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消 分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对 应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以，建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的 本机 I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好 处时分配它们。

• 直接字节缓冲区还可以通过 FileChannel 的 map() 方法 将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回 MappedByteBuffer 。Java 平台的实现有助于通过 JNI 从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区 中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在 访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。

• 字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。提供此方法是为了能够在 性能关键型代码中执行显式缓冲区管理。

通道（Channel）

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义 的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。 Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与 Buffer 进行交互。

一、通道（Channel）：用于源节点与目标节点的连接。在 Java NIO 中负责缓冲区中数据的传输。Channel 本身不存储数据，因此需要配合缓冲区进行传输。
二、通道的主要实现类java.nio.channels.Channel 接口：|--FileChannel|--SocketChannel|--ServerSocketChannel|--DatagramChannel
三、获取通道
1. Java 针对支持通道的类提供了 getChannel() 方法本地 IO：FileInputStream/FileOutputStreamRandomAccessFile网络IO：SocketServerSocketDatagramSocket
2. 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 针对各个通道提供了静态方法 open()
3. 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 的 Files 工具类的 newByteChannel()六、字符集：Charset编码：字符串 -> 字节数组解码：字节数组  -> 字符串

// 将Buffer 中数据写入Channel中
int byteWritten = inChannle.write(buf);// 从Channel读取数据到Buffer中
int bytesRead = inChannel.read(buf);

分散(Scatter)和聚集(Gather)

分散(Scatter)与聚集(Gather)分散读取（Scattering Reads）：将通道中的数据分散到多个缓冲区中聚集写入（Gathering Writes）：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中

通道之间的数据传输

通道之间的数据传输transferFrom()transferTo()

//通道之间的数据传输(直接缓冲区)
@Test
public void test3() throws IOException {FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);//		inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());inChannel.close();outChannel.close();
}

文件通道(FileChannel)

方法	描述
int read(ByteBuffer dst)	从 Channel 中读取数据到 ByteBuffer
long read(ByteBuffer[] dsts)	将 Channel 中的数据“分散”到 ByteBuffer[]
int write(ByteBuffer src)	将 ByteBuffer 中的数据写入到 Channel
long write(ByteBuffer[] srcs)	将 ByteBuffer[] 中的数据“聚集”到 Channel
long position()	返回此通道的文件位置
FileChannel position(long p)	设置此通道的文件位置
long size()	返回此通道的文件的当前大小
FileChannel truncate(long s)	将此通道的文件截取为给定大小
void force(boolean metaData)	强制将所有对此通道的文件更新写入到存储设备中

NIO 的非阻塞式网络通信

堵塞与非堵塞

• 传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，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写入，该线程在此期间不 能执行其他任务。因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会 阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理， 当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。

• Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数 据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时 间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入 和输出通道。因此，NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同 时处理连接到服务器端的所有客户端。

分析NIO2 的优点

IO：服务端为每一个发送过来的用户请求创建一个线程来执行，解决单线程堵塞问题。但是服务器资源是有限的，不能无限开，而且线程资源利用率不高太浪费了。

NIO2：客户端与服务器建立的channel，通过selector管理，当一个channel的数据准备完毕了，selector才会建立与server的连接，把准备好的数据发送过去，这就避免了多开线程浪费资源的问题。

选择器（Selector）

• 选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可 以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector 可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。
• SelectableChannle 的结构如下图：

选择器（Selector）的应用

• 当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器 对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。

• 可以监听的事件类型（可使用 SelectionKey 的四个常量表示）：

  • 读 : SelectionKey.OP_READ （1）
  • 写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）
  • 连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）
  • 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

• 若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。

  // 注册”监听事件“
  int interestSet = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE;
  

Selector 常用方法

方法	描述
Set keys()	所有的 SelectionKey 集合。代表注册在该Selector上的Channel
selectedKeys()	被选择的 SelectionKey 集合。返回此Selector的已选择键集
int select()	监控所有注册的Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时， 该方法返回，并将对应得的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
int select(long timeout)	可以设置超时时长的 select() 操作
int selectNow()	执行一个立即返回的 select() 操作，该方法不会阻塞线程
Selector wakeup()	使一个还未返回的 select() 方法立即返回
void close()	关闭该选择器

// 创建 Selector ：通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector
Selector selector = Selector.open();// 向选择器注册通道：SelectableChannel.register(Selector sel,int ops)// 创建一个Socket套接字
Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1").9988);// 获取SocketChannel
SocketChannel channel = socket.getChannel();// 创建选择器
Selector selector = Selector.open();// 将SocketChannel 切换成非堵塞模式
channel.configureBlocking(false);// 向Selector注册Channel
SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel

SocketChannel

• Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。

• 操作步骤：

  • 打开 SocketChannel
  • 读写数据
  • 关闭 SocketChannel

• Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以

  监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中 的ServerSocket一样。

DatagramChannel

• Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发 UDP包的通道。
• 操作步骤：
  • 打开 DatagramChannel
  • 接收/发送数据

管道（Pipe）

Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。 Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会 被写到sink通道，从source通道读取。

Java NIO2(Path、Paths与Files)

代码

public class Demo {public static void main(String[] args) {new Thread(() -> server(), "服务端").start();new Thread(() -> client(), "客户端").start();}public static void server() {ServerSocketChannel ssChannel = null;Selector selector = null;try {ssChannel = ServerSocketChannel.open();ssChannel.bind(new InetSocketAddress(7788));ssChannel.configureBlocking(false);// 选择器selector = Selector.open();ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (selector.select() > 0) {Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();while (it.hasNext()) {SelectionKey sk = it.next();if (sk.isAcceptable()) {// tcp 需要握手SocketChannel accept = ssChannel.accept(); //正式建立与客户端的连接accept.configureBlocking(false);accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 把这个连接注册到选择器中} else if (sk.isReadable()) {SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int len = 0;while ((len = sc.read(buffer)) > 0) {buffer.flip();System.out.println("server--" + Thread.currentThread().getName() + ":\t" + new String(buffer.array(), 0, len));buffer.clear();}}it.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (selector != null) {try {selector.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}if (ssChannel != null) {try {ssChannel.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}public static void client() {// 建立连接SocketChannel sChannel = null;try {sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 7788));// 切换成非堵塞的sChannel.configureBlocking(false);// 读取控制台内容输出过去ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (scanner.hasNext()) {String str = scanner.next();buffer.put((":\t" + str).getBytes());// 通过管道输出buffer.flip();sChannel.write(buffer);buffer.clear();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {if (sChannel != null) {try {sChannel.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}}