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NIO编程
2022-07-31 23:24:00 【悠然予夏】
1、NIO介绍
Java NIO 全称java non-blocking IO ，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的.
NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区),Selector(选择器)
NIO是 面向缓冲区编程的。数据读取到一个缓冲区中，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，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，所以直至数据变的可以读取之前，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某通道，但不需要等待它完全写入， 这个线程同时可以去做别的事情。通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况，可以分配50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个
2、NIO和 BIO的比较
- BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以缓冲区的方式处理数据,缓冲区 I/O 的效率比流 I/O 高很多
- BIO 是阻塞的，NIO则是非阻塞的
- BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求， 数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道
3、NIO 三大核心原理示意图
一张图描述 NIO 的 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系
- 每个 channel 都会对应一个 Buffer
- Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个 channel(连接)
- 每个 channel 都注册到 Selector选择器上
- Selector不断轮询查看Channel上的事件, 事件是通道Channel非常重要的概念
- Selector 会根据不同的事件，完成不同的处理操作
- Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组
- 数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO 的 Buffer 是可以读也可以写 , channel 是双向的.
4、缓冲区(Buffer)
4.1、基本介绍
缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个数组，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer.
4.2、Buffer常用API介绍
Buffer 类及其子类
在 NIO 中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图,常用的缓冲区分别对应byte,short, int, long,float,double,char 7种.
缓冲区对象创建
| 方法名 | 说明 |
| static ByteBuffer allocate(长度) | 创建byte类型的指定长度的缓冲区 |
| static ByteBuffer wrap(byte[] array) | 创建一个有内容的byte类型缓冲区 |
示例代码:
import java.nio.ByteBuffer;
/**
* Buffer的创建
*/
public class CreateBufferDemo {
public static void main(String[] args) {
//1.创建指定长度的缓冲区 ByteBuffer为例
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(allocate.get());//从缓冲区当中拿去数据
}
//会报错. 后续讲解
//System.out.println(allocate.get());//从缓冲区当中拿去数据
//2.创建一个有内容的缓冲区
ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap("lagou".getBytes());
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(wrap.get());
}
}
}
缓冲区对象添加数据
| 方法名 | 说明 |
| int position() / position(int newPosition) | 获得当前要操作的索引 / 修改当前要操作的索引位置 |
| int limit() / limit(int newLimit) | 最多能操作到哪个索引 / 修改最多能操作的索引位置 |
| int capacity() | 返回缓冲区的总长度 |
| int remaining() / boolean hasRemaining() | 还有多少能操作索引个数/是否还有能操作 |
| put(byte b) / put(byte[] src) | 添加一个字节 / 添加字节数组 |
图解:
示例代码:
import java.nio.ByteBuffer;
/**
* 向缓冲区中添加数据
*/
public class PutBufferDemo {
public static void main(String[] args) {
//1.创建一个缓冲区
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
System.out.println(allocate.position());//0 获取当前索引所在位置
System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
System.out.println(allocate.remaining());//10 还有多少个可以操作的个数
System.out.println("----------------");
// 修改当前索引所在位置
//allocate.position(1);
// 修改最多能操作到哪个索引的位置
//allocate.limit(9);
// System.out.println(allocate.position());//1 获取当前索引所在位置
//System.out.println(allocate.limit());//9 最多能操作到哪个索引位置
//System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
//System.out.println(allocate.remaining());//8 还有多少个可以操作的个数
// 添加一个字节
allocate.put((byte) 97);
System.out.println(allocate.position());//1 获取当前索引所在位置
System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
System.out.println(allocate.remaining());//9 还有多少个可以操作的个数
System.out.println("----------------");
// 添加一个数组
allocate.put("abc".getBytes());
System.out.println(allocate.position());//4 获取当前索引所在位置
System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
System.out.println(allocate.remaining());//6 还有多少个可以操作的个数
System.out.println("----------------");
// 添加一个数组
allocate.put("123456".getBytes());
System.out.println(allocate.position());//10 获取当前索引所在位置
System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
System.out.println(allocate.remaining());//0 还有多少个可以操作的个数
System.out.println(allocate.hasRemaining());//false 是否还能操作
System.out.println("----------------");
//如果缓冲区满了. 可以调整position位置, 就可以重复写. 会覆盖之前存入索引位置的值
allocate.position(0);
allocate.put("123456".getBytes());
System.out.println(allocate.position());//6 获取当前索引所在位置
System.out.println(allocate.limit());//10 最多能操作到哪个索引位置
System.out.println(allocate.capacity());//10 返回缓冲区总长度
System.out.println(allocate.remaining());//4 还有多少个可以操作的个数
System.out.println(allocate.hasRemaining());//true 是否还能操作
}
}
缓冲区对象读取数据
| 方法名 | 说明 |
| flip() | 写切换读模式 limit设置position位置, position设置0 |
| get() | 读一个字节 |
| get(byte[] dst) | 读多个字节 |
| get(int index) | 读指定索引的字节 |
| rewind() | 将position设置为0，可以重复读 |
| clear() | 切换写模式 position设置为0 , limit 设置为 capacity |
| array() | 将缓冲区转换成字节数组返回 |
图解:flip()方法
图解:clear()方法
实例代码:
import java.nio.ByteBuffer;
/**
* 从缓冲区中读取数据
*/
public class GetBufferDemo {
public static void main(String[] args) {
//1.创建一个指定长度的缓冲区
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
allocate.put("0123".getBytes());
System.out.println("position:" + allocate.position());//4
System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10
System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6
//切换读模式
System.out.println("读取数据--------------");
allocate.flip();
System.out.println("position:" + allocate.position());//4
System.out.println("limit:" + allocate.limit());//10
System.out.println("capacity:" + allocate.capacity());//10
System.out.println("remaining:" + allocate.remaining());//6
for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
System.out.println(allocate.get());
}
//读取完毕后.继续读取会报错,超过limit值
//System.out.println(allocate.get());
//读取指定索引字节
System.out.println("读取指定索引字节--------------");
System.out.println(allocate.get(1));
System.out.println("读取多个字节--------------");
// 重复读取
allocate.rewind();
byte[] bytes = new byte[4];
allocate.get(bytes);
System.out.println(new String(bytes));
// 将缓冲区转化字节数组返回
System.out.println("将缓冲区转化字节数组返回--------------");
byte[] array = allocate.array();
System.out.println(new String(array));
// 切换写模式,覆盖之前索引所在位置的值
System.out.println("写模式--------------");
allocate.clear();
allocate.put("abc".getBytes());
System.out.println(new String(allocate.array()));
}
}
注意事项:
- capacity：容量（长度）limit： 界限（最多能读/写到哪里）posotion：位置（读/写哪个索引）
- 获取缓冲区里面数据之前，需要调用flip方法
- 再次写数据之前，需要调用clear方法，但是数据还未消失，等再次写入数据，被覆盖了才会消失。
5、通道(Channel)
5.1、基本介绍
通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的。NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：
- 通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写，所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）
- 通道可以异步读写
- 通道总是基于缓冲区Buffer来读写
5.2、Channel常用类介绍
Channel接口
常 用 的Channel实现类类 有 ：FileChannel , DatagramChannel ,ServerSocketChannel和SocketChannel 。FileChannel 用于文件的数据读写， DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写， ServerSocketChannel 和SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。【ServerSocketChanne类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】
SocketChannel 与ServerSocketChannel
类似 Socke和ServerSocket,可以完成客户端与服务端数据的通信工作.
5.3、ServerSocketChannel
服务端实现步骤:
- 打开一个服务端通道
- 绑定对应的端口号
- 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
- 检查是否有客户端连接 有客户端连接会返回对应的通道
- 获取客户端传递过来的数据,并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
- 给客户端回写数据
- 释放资源
代码实现:
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
/**
* 服务端
*/
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 打开一个服务端通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 2. 绑定对应的端口号
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
// 3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
System.out.println("服务端启动成功");
while (true) {
// 4. 检查是否有客户端连接 有客户端连接会返回对应的通道
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel == null) {
System.out.println("没有客户端连接。。。");
Thread.sleep(1000);
continue;
}
// 5. 获取客户端传递过来的数据,并把数据放在byteBuffer这个缓冲区中
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
/**
* 返回值
* 正数：表示本地读到有效字节数
* 0: 表示没有读到数据
* -1：表示读到末尾
*/
int read = socketChannel.read(allocate);
System.out.println("客户端消息:" + new String(allocate.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
// 6. 给客户端回写数据
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("没钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
// 7. 释放资源
socketChannel.close();
}
}
}5.4、SocketChannel
实现步骤
- 打开通道
- 设置连接IP和端口号
- 写出数据
- 读取服务器写回的数据
- 释放资源
代码实现:
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
/**
* 客户端
*/
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 打开通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 2. 设置连接IP和端口号
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
// 3. 写出数据
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("老板还钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
// 4. 读取服务器写回的数据
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = socketChannel.read(allocate);
System.out.println("服务端消息：" + new String(allocate.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
// 5. 释放资源
socketChannel.close();
}
}
6、Selector (选择器)
6.1、基本介绍
可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到NIO的Selector(选择器). Selector 能够检测多个注册的服务端通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
在这种没有选择器的情况下,对应每个连接对应一个处理线程. 但是连接并不能马上就会发送信息,所以还会产生资源浪费
只有在通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程, 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销
6.2、常用API介绍
Selector 类是一个抽象类
| 方法名 | 说明 |
| Selector.open() | 得到一个选择器对象 |
| selector.select() | 阻塞 监控所有注册的通道,当有对应的事件操作时, 会将SelectionKey放入集合内部并返回事件数量 |
| selector.select(1000): | 阻塞 1000 毫秒，监控所有注册的通道,当有对应的事件操作时, 会将SelectionKey放入集合内部并返回 |
| selector.selectedKeys() | 返回存有SelectionKey的集合 |
SelectionKey
| 方法名 | 说明 |
| SelectionKey.isAcceptable() | 是否是连接继续事件 |
| SelectionKey.isConnectable() | 是否是连接就绪事件 |
| SelectionKey.isReadable() | 是否是读就绪事件 |
| SelectionKey.isWritable() | 是否是写就绪事件 |
SelectionKey中定义的4种事件:
- SelectionKey.OP_ACCEPT —— 接收连接继续事件，表示服务器监听到了客户连接，服务器可以接收这个连接了
- SelectionKey.OP_CONNECT —— 连接就绪事件，表示客户端与服务器的连接已经建立成功
- SelectionKey.OP_READ —— 读就绪事件，表示通道中已经有了可读的数据，可以执行读操作了（通道目前有数据，可以进行读操作了）
- SelectionKey.OP_WRITE —— 写就绪事件，表示已经可以向通道写数据了（通道目前可以用于写操作）
6.3、Selector 编码
服务端实现步骤:
- 打开一个服务端通道
- 绑定对应的端口号
- 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
- 创建选择器
- 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
- 检查选择器是否有事件
- 获取事件集合
- 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
- 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
- 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
- 得到客户端通道,读取数据到缓冲区
- 给客户端回写数据
- 从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理
代码实现:
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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* 服务端selector选择器
*/
public class NIOSelectorServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 打开一个服务端通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 2. 绑定对应的端口号
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
// 3. 通道默认是阻塞的，需要设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 4. 创建选择器
Selector selector = Selector.open();
// 5. 将服务端通道注册到选择器上,并指定注册监听的事件为OP_ACCEPT
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务端启动成功......");
while (true) {
// 6. 检查选择器是否有事件
int select = selector.select(2000);
if (select == 0) {
System.out.println("没有事件发生.....");
continue;
}
// 7. 获取事件集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
// 8. 判断事件是否是客户端连接事件SelectionKey.isAcceptable()
SelectionKey key = iterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// 9. 得到客户端通道,并将通道注册到选择器上, 并指定监听事件为OP_READ
SocketChannel accept = serverSocketChannel.accept();
System.out.println("有客户端连接......");
// 将通道必须设置为非阻塞状态，因为selector选择器需要轮询监听每个通道的事件
accept.configureBlocking(false);
// 指定监听事件为OP_READ 读就绪状态
accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
// 10. 判断是否是客户端读就绪事件SelectionKey.isReadable()
if (key.isReadable()) {
// 11. 得到客户端通道,读取数据到缓冲区
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = socketChannel.read(allocate);
if (read > 0) {
System.out.println("客户端消息："+new String(allocate.array(), 0, read, StandardCharsets.UTF_8));
// 给客户端回写数据
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("没钱".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
socketChannel.close();
}
}
// 13. 从集合中删除对应的事件, 因为防止二次处理
iterator.remove();
}
}
}
}
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