Java中IO的NIO通道解析

2024-01-23 09:05:40 作者：码灵

这篇文章主要介绍了Java中IO的NIO通道解析,NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现,需要的朋友可以参考下

概述

NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，一种同步非阻塞的 I/O 模型，在 Java 1.4 中引入，对应的在java.nio包下。

NIO 新增了 Channel、Selector、Buffer 等抽象概念，支持面向缓冲、基于通道的 I/O 操作方法。

NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现。

NIO 这两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。

对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞 I/O 来提升开发效率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

正文

我们先看一下 NIO 涉及到的核心关联类图，如下：

上图中有三个关键类：Channel 、Selector 和 Buffer，它们是 NIO 中的核心概念。

Channel：可以理解为通道；
Selector：可以理解为选择器；
Buffer：可以理解为数据缓冲流；

NIO 引入了 Channel、Buffer 和 Selector 就是想把 IO 传输过程中涉及到的信息具体化，让程序员有机会去控制它们。

当我们进行传统的网络 IO 操作时，比如调用 write() 往 Socket 中的 SendQ 队列写数据时，当一次写的数据超过 SendQ 长度时，操作系统会按照 SendQ 的长度进行分割的，这个过程中需要将用户空间数据和内核地址空间进行切换，而这个切换不是程序员可以控制的，由底层操作系统来帮我们处理。

而在 Buffer 中，我们可以控制 Buffer 的 capacity（容量），并且是否扩容以及如何扩容都可以控制。

代码示例

实例图：

客户端程序示例：

package org.example.nio.example;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
 * NIO客户端
 */
public class NIOClient {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 创建通道SocketChannel
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 客户端连接服务器，其实方法执行并没有实现连接，需要在handleConnect方法中调channel.finishConnect()才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9090));
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_CONNECT
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 循环处理
        while (true) {
            /*
             * 选择一组可以进行I/O操作的事件，放在selector中，客户端的该方法不会阻塞，
             * selector的wakeup方法被调用，方法返回，而对于客户端来说，通道一直是被选中的
             * 这里和服务端的方法不一样，查看api注释可以知道，当至少一个通道被选中时。
             */
            selector.select();
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
                // 检查是否是一个就绪的已经连接服务端成功事件
                if (key.isConnectable()) {
                    handleConnect(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 处理客户端连接服务端成功事件
     */
    private static void handleConnect(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取与服务端建立连接的通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        if (channel.isConnectionPending()) {
            // channel.finishConnect()才能完成连接
            channel.finishConnect();
        }
        channel.configureBlocking(false);
        // 数据写入通道
        String msg = "Hello Server!";
        channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 通道注册到选择器，并且这个通道只对读事件感兴趣
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 输出服务端响应发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端发来的消息：" + msg);
    }
}

服务端示例：

package org.example.nio.example;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
 * NIO服务端
 */
public class NIOServer {
    // 通道管理器(Selector)
    private static Selector selector;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建通道管理器(Selector)
        selector = Selector.open();
        // 创建通道ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 将通道设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将ServerSocketChannel对应的ServerSocket绑定到指定端口(port)
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(9090));
        /**
         * 将通道(Channel)注册到通道管理器(Selector)，并为该通道注册selectionKey.OP_ACCEPT事件
         * 注册该事件后，当事件到达的时候，selector.select()会返回，
         * 如果事件没有到达selector.select()会一直阻塞。
         */
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 循环处理
        while (true) {
            // 当注册事件到达时，方法返回，否则该方法会一直阻塞
            selector.select();
            // 获取监听事件
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 迭代处理
            while (iterator.hasNext()) {
                // 获取事件
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 移除事件，避免重复处理
                iterator.remove();
                // 检查是否是一个就绪的可以被接受的客户端请求连接
                if (key.isAcceptable()) {
                    handleAccept(key);
                } else if (key.isReadable()) {// 检查套接字是否已经准备好读数据
                    handleRead(key);
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 处理客户端连接成功事件
     */
    private static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {
        // 获取客户端连接通道
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel socketChannel = server.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 信息通过通道发送给客户端
        String msg = "Hello Client!";
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));
        // 给通道设置读事件，客户端监听到读事件后，进行读取操作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }
    /**
     * 监听到读事件，读取客户端发送过来的消息
     */
    private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 从通道读取数据到缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        channel.read(buffer);
        // 输出客户端发送过来的消息
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("server received msg from client：" + msg);
    }
}

通道channel

NIO 的核心就是通道和缓存区，所以它们的工作模式是这样的：

通道有点类似 IO 中的流，但不同的是，同一个通道既允许读也允许写，而任意一个流要么是读流要么是写流。但是你要明白一点，通道和流一样都是需要基于物理文件的，而每个流或者通道都通过文件指针操作文件，这里说的通道是双向的也是有前提的，那就是通道基于随机访问文件RandomAccessFile的可读可写文件指针。

基本的通道类型有如下一些：

FileChannel 是基于文件的通道；

SocketChannel 和 ServerSocketChannel 用于网络 TCP 套接字数据报读写；

DatagramChannel 是用于网络 UDP 套接字数据报读写。

通道不能单独存在，它永远需要绑定一个缓存区，所有的数据只会存在于缓存区中，无论你是写或是读，必然是缓存区通过通道到达磁盘文件，或是磁盘文件通过通道到达缓存区。即缓存区是数据的起点，也是终点。

缓存区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 主要用于和 NIO 通道进行交互，数据是从通道读入到缓冲区的，然后从缓冲区中写入到通道中的。

Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型的不同（boolean）除外，有以下 Buffer 常用子类：ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。上述 Buffer 类他们都是通过相似的方法进行管理数据的，只是各自管理的数据类型不同而已。都是通过如下的方法获取一个 Buffer 对象：

public static XxxBuffer allocate(int capacity) {}

缓冲区的基本属性

容量（capacity）：表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且一旦创建不能更改。
限制（limit）：第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于容量。
位置（position）：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。
标记（mark）和重置（reset）：标记是一个索引，通过Buffer中的mark()方法指定Buffer中的一个特定的position，之后可以通过调用reset()方法恢复到这个position。

简而言之：0 <= mark <= position <= limit <= capacity。

Selector(选择器)

Selector 被称为选择器，当然你也可以翻译为多路复用器。它是Java NIO 核心组件中的一个，用于检查一个或多个 Channel（通道）的状态是否处于连接就绪、接受就绪、可读就绪、可写就绪。

如此可以实现单线程管理多个 channels，也就是可以管理多个网络连接。

使用 Selector 的好处在于： 相比传统方式使用多个线程来管理 IO，Selector 使用了更少的线程就可以处理通道了，并且实现网络高效传输！

创建一个选择器一般是通过 Selector 的工厂方法，Selector.open ：

Selector selector = Selector.open();

而一个通道想要注册到某个选择器中，必须调整模式为非阻塞模式，例如：

//创建一个 TCP 套接字通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
//调整通道为非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//向选择器注册一个通道
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

以上代码是注册一个通道到选择器中的最简单版本，支持注册选择器的通道都有一个 register 方法，该方法就是用于注册当前实例通道到指定选择器的。

该方法的第一个参数就是目标选择器，第二个参数其实是一个二进制掩码，它指明当前选择器感兴趣当前通道的哪些事件。以枚举类型提供了以下几种取值：

int OP_READ = 1 << 0;
int OP_WRITE = 1 << 2;
int OP_CONNECT = 1 << 3;
int OP_ACCEPT = 1 << 4;

这种用二进制掩码来表示某些状态的机制，我们在讲述虚拟机类类文件结构的时候也遇到过，它就是用一个二进制位来描述一种状态。

register 方法会返回一个 SelectionKey 实例，该实例代表的就是选择器与通道的一个关联关系。你可以调用它的 selector 方法返回当前相关联的选择器实例，也可以调用它的 channel 方法返回当前关联关系中的通道实例。

除此之外，SelectionKey 的 readyOps 方法将返回当前选择感兴趣当前通道中事件中准备就绪的事件集合，依然返回的一个整型数值，也就是一个二进制掩码。

例如：

int readySet = selectionKey.readyOps();

假如 readySet 的值为 13，二进制「0000 1101」，从后向前数，第一位为 1，第三位为 1，第四位为 1，那么说明选择器关联的通道，读就绪、写就绪，连接就绪。

所以，当我们注册一个通道到选择器之后，就可以通过返回的 SelectionKey 实例监听该通道的各种事件。

当然，一旦某个选择器中注册了多个通道，我们不可能一个一个的记录它们注册时返回的 SelectionKey 实例来监听通道事件，选择器应当有方法返回所有注册成功的通道相关的 SelectionKey 实例。

Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

selectedKeys 方法会返回选择器中注册成功的所有通道的 SelectionKey 实例集合。我们通过这个集合的 SelectionKey 实例，可以得到所有通道的事件就绪情况并进行相应的处理操作。

总结

优点

1个线程就行就能处理所有连接，这个线程不停循环遍历就行了。

缺点

单线程不停循环发起系统调用，一样会耗尽 CPU 资源。

NIO 的瓶颈

在于需要不停的调起系统调用，每个链接我们都要调系统调用询问是否有过来数据，我们要是明确的知道哪个连接有数据包过来呢，就不用挨个遍历寻找找答案了。

到此这篇关于Java中IO的NIO通道解析的文章就介绍到这了,更多相关NIO通道解析内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！