现在使用NIO的场景越来越多,很多网上的技术框架或多或少的使用NIO技术,譬如TOMCAT、JETTY。学习和掌握NIO技术已经不是一个JAVA工程师的加分技能,而是一个必备技能。在前面两篇文章《什么是Zero-Copy》和《NIO相关基础篇》中我们学习了NIO的相关理论知识,而在本篇中我们一起来学习一下Java NIO的实践知识。

1.概述

NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲),Selector(选择区)。传统IO基于字节流进行操作,而NIO基于Channel和Buffer进行操作,数据总是从Channel(通道)读取到Buffer(缓冲区),或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:打开连接,数据到达)。因此,单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO(以下简称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。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。如果需要前后移动流中的数据,需要先将它们缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲流导向方法略有不同。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。

IO的各种流都是阻塞的。这意味着,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被组撒,直到有一些数据被读取,或者数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变得可读之前,该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到通道,但不需要等它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非租塞IO的空闲时间用于在其他通道上执行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)。

1.1 Channel

首先说下Channel。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的,譬如:InputStream、OutputStream。而Channel是双向的,既可以用来进行读操作,又可以用来进行写操作。

NIO中的Channel的主要实现有:

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

这里看名字就可以猜出来:分别可以对应文件IO、UDP、TCP(Client和Server)。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

1.2 Buffer

NIO 中的关键Buffer实现有:ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer,分别对应基本数据类型:byte、char、double、float、int、long、short。当然NIO中还有 MappedByteBuffer、HeapByteBuffer、DirectByteBuffer等这里先不进行陈述。

1.3 Selector

Selector 运行单线程处理多个Channel,如果你的应用打开了多个通道,但每个连接的流量都很低,使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。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情,事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

2.FileChannel

看完上面的陈述,对于第一次接触NIO的同学来说云里雾里,只说了一些概念,也没记住什么,更别说怎么用了。这里开始通过传统IO以及更改后的NIO来做对比,以更形象地突出NIO的用法,进而使你对NIO有一点点了解。

2.1传统IO VS NIO

首先,案例1是采用FileInputStream读取文件内容的:

private static void method2() {
        InputStream in = null;
        try{
            in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("nomal_io.txt"));
            byte[] buf = new byte[1024];
            int bytesRead = -1;
            while ((bytesRead = in.read(buf)) != -1) {
                for(int i=0;i<bytesRead;i++) {
                    System.out.print((char)buf[i]);
                }
            }
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try{
                if (in!=null){
                    in.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

输出结果:(略)

案例对应的NIO(这里通过RandomAccessFile进行操作,当然也可以通过FileInputStream.getChannel()进行操作):

private static void method1() {
        RandomAccessFile aFile = null;
        try {
            aFile = new RandomAccessFile("nio.txt","rw");
            FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = -1;
            while ( (bytesRead = fileChannel.read(buf)) != -1) {
                 buf.flip();
                 while (buf.hasRemaining()) {
                     System.out.print((char)buf.get());
                 }
                 buf.compact();
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try{
                if (aFile!=null){
                    aFile.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

 输出结果:(略)

通过仔细对比案例1 和案例2,应该能看出个大概,最起码能发现NIO的实现方式比较复杂。有了一个大概的印象就可以进行下一步了。

2.2Buffer 的使用

从案例2中可以总结出使用Buffer一般遵循下面一个步骤:

  • 分配空间(ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);还有一种allocateDirector后面在描述)
  • 读取数据到Buffer(bytesRead = fileChannel.read(buf) )
  • 调用 flip() 方法(buf.flip())
  • 从 Buffer 中读取数据( System.out.print((char)buf.get()); )
  • 调用clear() 或 compact() 方法

Buffer顾名思义:缓冲区,实际上是一个容器,一个连续数组。从Channel提供文件、网络读取数据的渠道,但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图:

 向Buffer中写数据:

  • 从Channel写到Buffer ( fileChannel.read(bug) )
  • 通过 Buffer的 put()方法( buf.put(...) )

从Buffer中读取数据:

  • 从 Buffer 读取到 Channel ( channel.write( buf ) )
  • 使用 get() 方法 从 Buffer中读取数据 (  buf.get()  )

可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表,它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态:capacity、position、limit、mark。

  • capacity:缓冲区数组的总长度。
  • position:下一个要操作的数据元素的位置。
  • limit:缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置(limit < capacity )
  • mark:用于记录当前 position 的前一个位置或者默认是-1

无图无真相,举例:我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个11byte的数组的缓冲区,初始状态如上图,position的位置为0,capacity和limit默认都是数组长度。当我们写入5个字节时,变化如下图:

 这是我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道,所以我们调用ByteBuffer.flip()方法,变化如下图所示(position设回0,并将limit设成之前的position的值)

这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前,我们需要再调用clear()方法,缓冲区的索引位置又回到的了初始位置。

调用clear()方法: position 将被设回0,limit设置成capacity,换句话说,Buffer被清空了,其实Buffer中的数据并未被清楚,只是这些标记告诉我们从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将被遗忘,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。如果Buffer中仍有未被读的数据,且后续还要处理这些数据,但是此时想要先写些数据,那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer的起始处。然后position设到最后一个未读元素的后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

通过调用 Buffer.mark() 方法,可以标记Buffer中的一个特定的position,之后可以通过调用Buffer.reset() 方法恢复到这个这个position。Buffer.rewind()方法将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个数据。

3.SocketChannel

说完了FileChannel和Buffer,大家应该对Buffer的用法比较了解了。这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性,套接字的某系操作可能会无限地阻塞。例如,对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端的连接而阻塞;对read()方法调用可能会因为没有数据可读而阻塞,直到连接的另一端传来新的数据。总的来说,创建/接收或读写数据等IO调用,都可能无限地阻塞等待,直到底层的网络实现发生了什么。慢速的,有损耗的网络,或者仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然后不幸的是,在调用一个方法之前无法知道其是否是阻塞。NIO的Channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为,以实现非阻塞式的信道。

   channel.configureBlocking(false);

在非阻塞式信道单调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如,在一个非阻塞式的ServerSocketChannel上调用accept()方法,如果有连接请求来了,则会返回客户端的SocketChannel,返回返回null。

 客户端代码(案例3):

private static void client() {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        SocketChannel socketChannel = null;
        try {
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080));
            if (socketChannel.finishConnect()) {
                int i=0;
                while (true) {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String info = "我是第" + i++ + "个来自客户端的信息";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (socketChannel != null) {
                    socketChannel.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

服务端代码(案例4):

private static void server() {
        ServerSocket serverSocket = null;
        InputStream in = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8080);
            int recvMsgSize = 0;
            byte[] recvBuf = new byte[1024];
            while (true) {
                Socket client = serverSocket.accept();
                System.out.println("处理来自" + client.getRemoteSocketAddress() + "客户端");
                in = client.getInputStream();
                while ((recvMsgSize = in.read(recvBuf)) != -1) {
                    byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                    System.arraycopy(recvBuf, 0, temp,0,recvMsgSize);
                    System.out.println(new String(temp));
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (serverSocket!=null) {
                    serverSocket.close();
                }
                if (in!=null) {
                    in.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

输出结果:(略)

根据案例分析,总结一下SocketChannel的用法。

打开SocketChannel:

            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080));

关闭:

        socketChannel.close();

 读取数据:

                    String info = "我是第" + i++ + "个来自客户端的信息";
                    buffer.clear();
                    buffer.put(info.getBytes());
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        System.out.println(buffer);
                        socketChannel.write(buffer);
                    }

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中。write方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。 

4.TCP服务端的NIO写法

到目前为止,所举的案例中都没涉及到Selector。不要急,好东西要慢慢来。Selector类可以用于避免使用阻塞模式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。例如,考虑一个IM服务器。像QQ或者旺旺这样的,可能有几万甚至几千万个客户端同时连接到了服务器,但在任何时刻都只是非常少量的消息。

需要读取和分发。这就需要一种方法阻塞等待,直到有一个信道可以进行I/O操作,并指出是哪个通道。NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的IO状态。用专业术语来说,选择器就是一个多路开关选择器,因为一个选择器能够管理多个信道上的IO操作。然后如果用传统的方式来处理这么多客户端,使用的方法是循环地一个个地去检查所有客户端是否有IO操作,如果当前客户端有IO操作,则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理,如果没有IO操作则进行下一个轮询,当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询;这种方法是非常笨而且浪费资源,因为大部分客户端是没有IO操作,我们也要去检查;而selector就不一样了,它在内部可以同时管理多个IO,当一个信道有IO操作的时候,它会通知Selector,Selector就是记住这个信道有IO操作,并且知道是何种IO操作,是读呢?是写呢?还是接受新的连接;所以如果使用Selector,它返回的结果只有两种结果,一种是0,即你在调用的时刻没有任何客户端IO操作,另一种结果是一组需要IO操作的客户端,这时你就根本不需要再检查了,因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效地多。

要适应选择器Selector,需要创建一个Selector实例(使用静态工厂方法open())并将其注册(register)到想要监控的信道上(注意,这要通过channel的方法实现,而不是使用selector的方法)。最后,调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待,直到有一个或更多的信道准备好了IO操作或者等待超时。select()方法将返回可进行IO操作的信道数量。现在在一个单独的线程中,通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行IO操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好,select()方法就会返回0,并允许程序继续执行其他任务。

下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO方式(案例5):

public class ServerConnect {
    private static final int BUF_SIZE = 1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;

    public static void main(String[] args) {
        selector();
    }

    private static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try {
            selector = Selector.open();
            ssc = ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                if (selector.select(TIMEOUT) == 0) {
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    //服务端信道是否有连接进来
                    if (key.isAcceptable()) {
                        handleAccept(key);
                    }
                    if (key.isReadable()) {
                        handleRead(key);
                    }
                    if (key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if (key.isConnectable()) {
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (selector != null) {
                    selector.close();
                }
                if (ssc != null) {
                    ssc.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel sc = ssc.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }

    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        int read = -1;
        while ((read = sc.read(buf)) != -1) {
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char)buf.get());
            }
        }
        sc.close();
    }

    private static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while (buf.hasRemaining()) {
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
}

下面来慢慢讲解这段代码。

4.1 ServerSocketChannel

打开ServerSocketChannel:

ServerSocketChannel serverSocketChannel= ServerSocketChannel.open();

关闭ServerSocketChannel:

serverSocketChannel.close();

监听新进来的连接:

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept()方法会立即返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。

因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null。如:

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel !=null) {
                //do something with the socketChannel...
            }
        }

4.2 Selector

Selector的创建:

Selector selector = Selector.open();

为了将Channel和Selector配合使用,必须将Channel注册到Selector上,通过SelectableChannel.register()方法来实现,沿用案例五种的部分代码:

            ssc = ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

与Selector一起使用时,Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用,因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”,意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同的类型:

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以,某个Channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个Server Socket Channel 准备好接受新进入的连接称为“接受就绪”。一个数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用 SelectionKey的四个常量来表示:

  • SelectionKey.OP_CONNECT
  • SelectionKey.OP_ACCEPT
  • SelectionKey.OP_READ
  • SelectionKey.OP_WRITE

4.3 SelectionKey

当向Selector注册Channel时,register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性:

  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象(可选)

interest集合:就像向Selector注册通道一节中所描述的,interest集合是你所选择感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

ready集合是通道一节准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后,你会首先访问这个 ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合:

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法,来检查Channel中什么事件或操作已经就绪。但是,也可以使用以下四个方法,他们都会返回一个布尔类型:

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWriteable();

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上,这样就能方便的识别某个给定的通道。例如,可以附加与通道一起使用的Buffer,或者是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下:

selectionKey.attach(thObj);
Object obj = selectionKey.attachment();

 还可以使用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如:

SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, theObj);

4.4 通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一个或多个通道,就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件(如连接、接收、读或写),已经准备就绪的那些通道。换句话说,如果你对“读就绪”的通道感兴趣,select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是 select() 方法:

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()一样,除了最长会阻塞timeout(毫秒)。

selectNow()不会阻塞,不管什么通道就绪都立刻返回(注:此方法执行非阻塞选择操作。如果自从前一次选择操作后,没有通道变成可选,则此方法返回0)。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。即,自上次调用select()方法后有多少通道变成了就绪状态。如果调用select()方法,因为有一个通道变成就绪状态,返回了1,若再次调用select()方法,如果另一个通道就绪了,它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作,现在就有两个通道。

一旦调用了select()方法,并且返回值表明有一个或更多个就绪了,然后通过调用selector的selectedKeys()方法,访问“已选中键集(selected key set)”中的就绪通道。如下所示:

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当向Selector注册Channel时,Channel.register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时,Selector会再次将其放入已选择键集中。

 SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型,如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

5.内存映射文件

Java处理大文件,一般使用BufferReader、BufferInputStream这类带缓冲的IO类,不过文件如果超大的话,更快的方式是采用MappedByteBuffer。

MappedByteBuffer是NIO引入的文件内存映射方案,读写性能极高。NIO最主要的就是实现了对异步操作的支持。其中一种是通过把一个套接字通道(SocketChannel)注册到一个选择器(Selector)中,不时调用后者的选择(select)方法就能返回满足的选择键(SelectionKey),键中包含了SOCKET事件信息。这就是select模型。

SocketChannel的读写是通过一个ByteBuffer来操作的。这个类本身的设计是不错的,比直接操作byte[]方便多了。ByteBuffer有两种模式:直接/间接。

间接模式最典型的就是HeapByteBuffer,即操作对内存(byte[])。但毕竟内存有限,如果要发送一个1G的文件怎么办?不可能真的去分配1G的内存。这时就必须使用“直接”模式,及MappedByteBuffer,文件映射。

先终端一下,谈谈操作系统的内存管理。一般操作系统的内存分两部分:物理内存、虚拟内存。

虚拟内存一般使用的是页面映像文件,即硬盘中的某个特殊的文件。操作系统负责页面文件内容的读写,这个过程叫“页面中断/切换”。MappedByteBuffer也是类似的,你可以把整个文件(不管文件多大)看出是一个ByteBuffer。MappedByteBuffer只是一种特殊的ByteBuffer,即ByteBuffer的子类,如果文件比较大的话可以分段进行映射,只要指定文件的那个部分就可以。

5.1 概念

FileChannel提供了map方法来把文件映射为内存映像文件:

MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size);

可以把文件的从 position 开始的 size 大小的区域映射为内存映像文件。

mode 指出了可访问该内存映像文件的方式:

  • READ_ONLY(只读):试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException。
  • READ_WRITE(读/写):对得到的缓冲的更改最终将传播到文件;该更改对映射到同一文件的其他程序是不可见的。
  • PRIVATE(专用):对得到的缓冲区的更改不会传播到文件,并且该更改对映射到同一文件的其他程序也是不可见的;相反,会创建已修改部分的专用副本的缓冲区。

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子类,其扩充了三个方法:

  • force():缓冲区是READ_WRITE模式下,此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件。
  • load():将缓冲区的内容载入内存,并返回该缓冲区的引用。
  • isLoaded():如果缓冲区的内存在物理内存中,则返回真,否则返回假。

5.2 案例对比

这里通过采用ByteBuffer和MappedByteBuffer分别读取大小约为9M的文件来比较两者之间的区别,method3()采用MappedByteBuffer读取,method4()采用ByteBuffer读取。

    private static void method3() {
        RandomAccessFile file = null;
        FileChannel f = null;
        try {
            file = new RandomAccessFile("E:/test.zip","rw");
            f = file.getChannel();
            long begin = System.currentTimeMillis();
            MappedByteBuffer buff = f.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, file.length());
            long end = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("read time:" + (end-begin) + " ms");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (file!=null){
                    file.close();
                }
                if (f != null) {
                    f.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static void method4() {
        RandomAccessFile file = null;
        FileChannel f = null;
        try {
            file = new RandomAccessFile("E:/test.zip","rw");
            f = file.getChannel();
            long begin = System.currentTimeMillis();
            ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
            buff.clear();
            f.read(buff);
            long end = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("read time:" + (end-begin) + " ms");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (file!=null){
                    file.close();
                }
                if (f != null) {
                    f.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

通过在入口函数main()中运行:

        method3();
        System.out.println("==================");
        method4();

输出结果:

read time:2 ms
==================
read time:8 ms

通过例子可以看出彼此的差别,一个例子也许是偶然,那么下面把9M大小的文件替换为600M文件,输出结果:

read time:2 ms
==================
read time:658 ms

可以看到差距拉大。

注:MappedByteBuffer有资源释放的问题:被MappedByteBuffer打开的文件只有在垃圾收集时才会被关闭,而这个点是不正确的。在Javadoc中这里描述:A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remian valid until the buffer itself is garbage-collected。

6.其余功能介绍

看完以上陈述,大家对NIO有了一定的了解,下面主要通过几个案例,来说明NIO的其余功能,下面代码偏多,功能性讲述少。

6.1 Scatter/Gather

分散(Scatter)从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此,Channel将从Channel中读取的数据“分散(Scatter)”到多个Buffer中。

聚集(Gather)写入Channel是指在写操作时,将多个Buffer的数据同时写入同一个Channel,因此Channel将多个Buffer中的数据“聚集(Gather)”后发送到Channel。

Scatter/Gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合,例如传输一个由消息头和消息体组成的消息,你可能会将消息头和消息体分散到不同的buffer中,这样你可以方便的处理消息头和消息体。

案例:

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

public class ScattingAndGather {
    public static void main(String[] args) {
        gather();
    }

    private static void gather() {
        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(10);
        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
        byte[] b1 = {'0','1'};
        byte[] b2 = {'2','3'};
        header.put(b1);
        body.put(b2);
        ByteBuffer [] buffers = {header,body};
        try{
            FileOutputStream os = new FileOutputStream("e:/test.txt");
            FileChannel channel = os.getChannel();
            channel.write(buffers);
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6.2 transferFrom & transferTo

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。

    private static void method1() {
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try {
            fromFile = new RandomAccessFile("e:/test1.txt","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("e:/test2.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println("count:"+count);
            toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (fromFile!=null){
                    fromFile.close();
                }
                if (toFile !=null){
                    toFile.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

方法的输入参数position表示从position出开始开始向目标文件写入数据,count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于count个字节,则所传输的字节数要小于请求的字节数。此外要注意,在SocketChannel的实现中,SocketChannel只会传输此刻准备好的数据(可能不足count字节)。因此,SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的Channel中。

    private static void method2() {
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try {
            fromFile = new RandomAccessFile("e:/test1.txt","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("e:/test2.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println("count:"+count);
            fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                if (fromFile!=null){
                    fromFile.close();
                }
                if (toFile !=null){
                    toFile.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

上面所述的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中同样存在。SocketChannel会一直传输数据知道目标buffer被填满。

6.3 Pipe

JavaNIO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。

    private static void method1() {
        Pipe pipe = null;
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
        try {
            pipe = Pipe.open();
            final Pipe tempPipe = pipe;
            exec.submit(new Callable<Object>() {
                @Override
                public Object call() throws Exception {
                    Pipe.SinkChannel sinkChannel = tempPipe.sink();//向通道中写数据
                    while (true) {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        String info = "Pipe test At time " + System.currentTimeMillis();
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        buf.put(info.getBytes());
                        buf.flip();
                        while (buf.hasRemaining()) {
                            sinkChannel.write(buf);
                            System.out.println("发送:"+buf);
                        }
                    }
                }
            });

            exec.submit(new Callable<Object>() {
                @Override
                public Object call() throws Exception {
                    Pipe.SourceChannel sourceChannel = tempPipe.source();
                    while (true) {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        int readLen;
                        while ((readLen = sourceChannel.read(buf)) > 0) {
                            buf.flip();
                            byte[] b = new byte[readLen];
                            int i=0;
                            while (buf.hasRemaining()) {
                                b[i] = buf.get();
                                System.out.print((char)b[i]);
                                i++;
                            }
                            String s = new String(b);
                            System.out.println("==========================||"+s);
                        }
                    }
                }
            });
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            exec.shutdown();
        }
    }

6.4 DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像其他通道那样读取和写入。它发送和接收的都是数据包。

    private static void send() {
        DatagramChannel channel = null;
        try{
            channel = DatagramChannel.open();
            String info = "I'm sender!";
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            buf.put(info.getBytes());
            buf.flip();
            int byteSend = channel.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1",8888));
            System.out.print(byteSend);
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try{
                if (channel!=null){
                    channel.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static void receive() {
        DatagramChannel channel = null;
        try{
            channel = DatagramChannel.open();
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            channel.receive(buf);
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char)buf.get());
            }
        }catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try{
                if (channel!=null){
                    channel.close();
                }
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }