[Java知识库]Java NIO简介

Java NIO简介

JDK1.4版本之前，Java IO类库是阻塞IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称 Java NIO，之前阻塞的称为Old IO，简称OIO。新的异步IO库的目标是让Java支持非阻塞IO，弥补OIO同步阻塞的不足，为标准的Java代码提供了高速的，面向缓冲区的IO。

Java NIO 三个核心组件

• Channel (通道)
• Buffer(缓冲区)
• Selector(选择器)

Java NIO是属于IO多路复用模型，NIO组件提供了统一的API，为开发人员屏蔽了底层不同操作系统的差异。

NIO和OIO对比

• OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。

  • 面向流

    指面向字节流或字符流，一般OIO操作中。以流式的方式顺序地从一个流（Stream）中读取一个或多个字节。因为顺序读取，所以不能随意改变读取指针的位置。

  • 面向缓冲区

    NIO中引入了Channel(通道)和Buffer(缓冲区)的概念。读取和写入只需要从通道中读取数据到缓冲区，或将数据从缓冲区中写入到通道中。并不是顺序操作，所以可以随意读取Buffer中任意位置的数据。

• OIO操作是阻塞的，NIO操作是非阻塞的。

  • OIO 阻塞

    调用一个read方法读取一个文件的内容时候，调用read的线程会被阻塞住，直到read操作完成。

  • NIO 非阻塞

    调用read方法时，如果此时有数据，则read读取数据并返回。如果此时没有数据，则read直接返回，而不会阻塞当前线程。依靠的就是使用了通道和通道的多路复用技术。

• OIO没有选择器（Selector）的概念，而NIO有选择器的概念。

  NIO实现是基于底层的选择器的系统调用。

  NIO的选择器是需要底层操作系统提供支持，而OIO不需要用到选择器。

通道（Channel）

在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（Input Stream），另外一个输出流（Ouput Stream）。通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。

在NIO中，同一个网络连接使用一个通道表示。所以NIO的IO操作都是从通道开始。

一个通道类似于OIO中两个流的结合体，既可以从通道读取，也可以向通道写入。

Selector选择器

是一个IO事件的查询器，通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

从开发层面即，首页把通道注册到选择器中，然后通过选择器的内部的机制。查询（select）这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读，可写，网络连接完成等）

一个选择器只需一个线程监控，即使用一个线程就可以通过选择器去管理多个通道，

与OIO相比，使用Selector选择器的最大优势：系统开销小，系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而减少系统开销。

缓冲区(Buffer)

缓冲区是面向流的OIO没有的，是NIO非阻塞的前提和基础。
通道的读取就是将数据从通道读取到缓冲区；通道的写入就是将数据从缓冲区写入到通道中。

NIO的Buffer（缓冲区）本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以从中读取数据。
NIO的Buffer类位于java.nio.Buffer是一个抽象类。
注意：是一个非线程安全的类

Buffers are not safe for use by multiple concurrent threads. If a buffer is to be used by more than one thread then access to the buffer should be controlled by appropriate synchronization.

Buffer类的主要子类

除了MappedByteBuffer的其他7种覆盖了能在IO种传输的所有Java的基本数据类型，MappedByteBuffer是专门用于内存映射的ByteBuffer类型。

Buffer类的主要属性

• mark: 备忘位置，mark在被标记前是未定义的

  可以将当前的positon读取位置临时存入mark中，需要时候再从mark标记恢复到position位置

  调用mark()方法来设置mark=position，再调用reset()可以让position恢复到mark标记的位置

  即position=mark

• positon: 当前位置，缓冲区中下一个要被读或写的元素索引

  positon属性与缓冲区的读写模式有关。

  • 写入模式
    1. 刚进入写模式，position值为0，代表写入位置从头开始
    2. 每当一个数据写入缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写位置
    3. 初始的position值为0，最大值为limit-1。
  • 读取模式 （模式切换需要使用flip翻转方法）
    1. 缓冲区刚开始进入到读模式，position值会被重置为0
    2. 从缓存区读取时，也是从position位置开始读，读取后向后移动到下一个可读位置
    3. position最大的值为最大可读上限limit

• limit: 读写限制， 缓冲区中第一个不能被读或写的元素索引

  limit属性在读写模式下也有不同的含义

  • 写入模式

    limit属性值代表可以写入的数据最大上限

    在刚进入写模式时，limit的值会被设置为capacity最大容量值。

  • 读取模式

    切换成读模式时候，会将之前写入当前位置positon设置为读模式下limit值。

    意思就切换时候把limit值设置为刚刚写到哪儿了。

• capacity: 缓冲区的最大容量。在缓冲区创建时设定，一经设定永远不能改变

Buffer类的重要方法

• allocate() 创建缓冲区

  

  在使用Buffer（缓冲区）之前，首先需要获取Buffer子类的实例对象，并分配内存空间。

  通过调用子类的allocate()方法。

• put() 写入到缓冲区

  

? put了一个值进去，position元素位置从0变成1，limit以及capacity没变

• flip() 翻转

  向缓存区写入数据后，并不能直接从里面读取数据。此时缓冲区还处于写模式，想要读取数据需要将缓冲区转换成读模式。flip()的作用就是将写入模式翻转成读取模式。

  沿着刚刚的put操作后，flip()翻转后对比上图可以发现

  

  • 首先设置limit的值为刚刚position最后写入的值
  • 然后把position值设为0，表示从头开始
  • 最后清除之前就的mark标记，mark标记之前是写模式下的临时绘制。

• clear()清空缓冲区，变成写入模式

• compact()压缩缓冲区，变成写入模式

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