NIO的使用
导读
J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性:非阻塞I/O,字符转换,缓冲以及通道。
一. 介绍NIO
NIO包(java.nio.*)引入了四个关键的抽象数据类型,它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。
1. Buffer:它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
2. Charset:它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3. Channels:包含socket,file和pipe三种管道,它实际上是双向交流的通道。
4. Selector:它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中(它可以被看成是Unix中select()函数或Win32中WaitForSingleEvent()函数的面向对象版本)。
二. 回顾传统
在介绍NIO之前,有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例,传统方式需要监听一个ServerSocket,接受请求的连接为其提供服务(服务通常包括了处理请求并发送响应)图一是服务器的生命周期图,其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。
图一
可以分析创建服务器的每个具体步骤。
Java代码
1.//首先创建ServerSocket
2. ServerSocket server=new ServerSocket(10000);
3.//然后接受新的连接请求
4. Socket newConnection=server.accept();
5.//对于accept方法的调用将造成阻塞,直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受,//服务器可以读客户socket中的请求。
6.InputStream in = newConnection.getInputStream();
7.InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
8.BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
9.Request request = new Request();
10.while(!request.isComplete()) {
11. String line = buffer.readLine();
12. request.addLine(line);
13.}
这 样的操作有两个问题,首先BufferedReader类的readLine()方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞,只有一定数据填满了缓冲区或者客户 关闭了套接字,方法才会返回。其次,它回产生大量的垃圾,BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据,但是同样创建了一些字符串存 储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题,但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。
同样的问题在发送响应代码中也存在
Java代码
1.Response response = request.generateResponse();
2.OutputStream out = newConnection.getOutputStream();
3.InputStream in = response.getInputStream();
4.int ch;
5.while(-1 != (ch = in.read())) {
6. out.write(ch);
7.}
8.newConnection.close();
类似的,读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下,所以应该使用缓冲区,但是一旦使用缓冲,流又会产生更多的垃圾。
传统的解决方法
通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程(大量的线程)。一般是实现一个线程池用来处理请求,如图二
图二
线程使得服务器可以处理多个连接,但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间,耗费很大,而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上,没有有效的利用CPU。
三. 新I/O
1. Buffer
传统的I/O不断的浪费对象资源(通常是String)。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的,有序的数据集合,它根据其类别只包含唯一的数据类型。
Java代码
1.java.nio.Buffer //类描述
2.java.nio.ByteBuffer //包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写
3.java.nio.MappedByteBuffer //包含字节类型,直接在内存某一区域映射
4.java.nio.CharBuffer //包含字符类型,不能写入通道
5.java.nio.DoubleBuffer //包含double类型,不能写入通道
6.java.nio.FloatBuffer //包含float类型
7.java.nio.IntBuffer //包含int类型
8.java.nio.LongBuffer //包含long类型
9.java.nio.ShortBuffer //包含short类型
可 以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的,你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接(direct)buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用 Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法(如ByteBuffer.wrap(byte[]))在 Java数组基础上创建buffer。
2. 字符编码
向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题:字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题,但是并没有处理字符转换。事实上,ByteBuffer没有提供方法读写String。
Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。
3. 通道(Channel)
你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型,所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接,可以是到特定设备,程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下
图三
图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道,相反的,ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
为了使通道能够同传统I/O类相容,Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader
4. Selector
在 过去的阻塞I/O中,我们一般知道什么时候可以向stream中读或写,因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道,我们需要一些方 法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中,设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件,而不是在 事件发生时通知应用,通道跟踪事件。然后,当应用调用Selector上的任意一个selection方法时,它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事 件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子
图四
并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位,将要用两次。首先,当应用调 用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时,它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后,一旦SelectionKey被选中了,SelectionKey的 readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道 不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。
Java代码
1.ServerSocketChannel OP_ACCEPT
2.SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE
3.DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE
4.Pipe.SourceChannel OP_READ
5.Pipe.SinkChannel OP_WRITE
四. 举例说明
1. 简单网页内容下载
这个例子非常简单,类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。
Java代码
1.package examples.nio;
2.
3.import java.nio.ByteBuffer;
4.import java.nio.channels.SocketChannel;
5.import java.nio.charset.Charset;
6.import java.net.InetSocketAddress;
7.import java.io.IOException;
8.
9.public class SocketChannelReader{
10.
11. private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//创建UTF-8字符集
12. private SocketChannel channel;
13.
14. public void getHTMLContent(){
15. try{
16. connect();
17. sendRequest();
18. readResponse();
19. }catch(IOException e){
20. System.err.println(e.toString());
21. }finally{
22. if(channel!=null){
23. try{
24. channel.close();
25. }catch(IOException e){}
26. }
27. }
28. }
29. private void connect()throws IOException{//连接到CSDN
30. InetSocketAddress socketAddress=
31. new InetSocketAddress("www.csdn.net",80);
32. channel=SocketChannel.open(socketAddress);
33. //使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上
34. //相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用
35.}
36.
37.private void sendRequest()throws IOException{
38. channel.write(charset.encode("GET "
39. +"/document"
40. +"\r\n\r\n"));//发送GET请求到CSDN的文档中心
41. //使用channel.write方法,它需要CharByte类型的参数,使用
42. //Charset.encode(String)方法转换字符串。
43. }
44.
45. private void readResponse()throws IOException{//读取应答
46. ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲
47. while(channel.read(buffer)!=-1){
48. buffer.flip();//flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
49. System.out.println(charset.decode(buffer));
50.//使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
51. buffer.clear();//清空缓冲
52. }
53. }
54.
55. public static void main(String [] args){
56. new SocketChannelReader().getHTMLContent();
57. }
2. 简单的加法服务器和客户机
服务器代码
Java代码
1.package examples.nio;
2.
3.import java.nio.ByteBuffer;
4.import java.nio.IntBuffer;
5.import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
6.import java.nio.channels.SocketChannel;
7.import java.net.InetSocketAddress;
8.import java.io.IOException;
9.
10./**
11. * SumServer.java
12. *
13. *
14. * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
15. *
16. * @author starchu1981
17. * @version 1.0
18. */
19.public class SumServer {
20.
21. private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
22. private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
23. private SocketChannel _clientChannel=null;
24. private ServerSocketChannel _serverChannel=null;
25.
26. public void start(){
27. try{
28. openChannel();
29. waitForConnection();
30. }catch(IOException e){
31. System.err.println(e.toString());
32. }
33. }
34.
35. private void openChannel()throws IOException{
36. _serverChannel=ServerSocketChannel.open();
37. _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));
38. System.out.println("服务器通道已经打开");
39. }
40.
41. private void waitForConnection()throws IOException{
42. while(true){
43. _clientChannel=_serverChannel.accept();
44. if(_clientChannel!=null){
45.System.out.println("新的连接加入");
46.processRequest();
47._clientChannel.close();
48. }
49. }
50. }
51.
52. private void processRequest()throws IOException{
53. _buffer.clear();
54. _clientChannel.read(_buffer);
55. int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1);
56. _buffer.flip();
57. _buffer.clear();
58. _intBuffer.put(0,result);
59. _clientChannel.write(_buffer);
60. }
61.
62. public static void main(String [] args){
63. new SumServer().start();
64. }
65.} // SumServer
66.客户代码
67.package examples.nio;
68.
69.import java.nio.ByteBuffer;
70.import java.nio.IntBuffer;
71.import java.nio.channels.SocketChannel;
72.import java.net.InetSocketAddress;
73.import java.io.IOException;
74.
75./**
76. * SumClient.java
77. *
78. *
79. * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
80. *
81. * @author starchu1981
82. * @version 1.0
83. */
84.public class SumClient {
85.
86. private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
87. private IntBuffer _intBuffer;
88. private SocketChannel _channel;
89.
90. public SumClient() {
91. _intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
92. } // SumClient constructor
93.
94. public int getSum(int first,int second){
95. int result=0;
96. try{
97. _channel=connect();
98. sendSumRequest(first,second);
99. result=receiveResponse();
100. }catch(IOException e){System.err.println(e.toString());
101. }finally{
102. if(_channel!=null){
103. try{
104. _channel.close();
105. }catch(IOException e){}
106. }
107. }
108. return result;
109. }
110.
111. private SocketChannel connect()throws IOException{
112. InetSocketAddress socketAddress=
113. new InetSocketAddress("localhost",10000);
114. return SocketChannel.open(socketAddress);
115. }
116.
117. private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{
118. _buffer.clear();
119. _intBuffer.put(0,first);
120. _intBuffer.put(1,second);
121. _channel.write(_buffer);
122. System.out.println("发送加法请求 "+first+"+"+second);
123. }
124.
125. private int receiveResponse()throws IOException{
126. _buffer.clear();
127. _channel.read(_buffer);
128. return _intBuffer.get(0);
129. }
130.
131. public static void main(String [] args){
132. SumClient sumClient=new SumClient();
133. System.out.println("加法结果为 :"+sumClient.getSum(100,324));
134. }
135.} // SumClient
3. 非阻塞的加法服务器
首先在openChannel方法中加入语句
_serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式
重写WaitForConnection方法的代码如下,使用非阻塞方式
Java代码
1.private void waitForConnection()throws IOException{
2. Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();
3.
4. /*在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。
5. 这就告诉Selector,套接字想要在accept操作发生时被放在ready表
6. 上,因此,允许多元非阻塞I/O发生。*/
7. SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector,
8. SelectionKey.OP_ACCEPT);
9. int keysAdded = 0;
10.
11. /*select方法在任何上面注册了的操作发生时返回*/
12. while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
13. // 某客户已经准备好可以进行I/O操作了,获取其ready键集合
14. Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
15. Iterator i = readyKeys.iterator();
16.
17. // 遍历ready键集合,并处理加法请求
18. while (i.hasNext()) {
19. SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next();
20. i.remove();
21. ServerSocketChannel nextReady =
22. (ServerSocketChannel)sk.channel();
23. // 接受加法请求并处理它
24. _clientSocket = nextReady.accept().socket();
25. processRequest();
26. _clientSocket.close();
27. }
28. }
29. }
参考资料
1. <Master Merlin's new I/O classes> From <http://www.javawordl.com/ >
2. J2SE1.4.2 API Specification From <http://java.sun.com/ >
3. <Working with SocketChannels> From <http://developer.java.sun.com/developer >
4. NIO Examples From <http://java.sun.com/ >
http://java.sun.com/javase/6/docs/technotes/guides/io/example/index.html
NIO的使用
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转载自chenhaiyang.iteye.com/blog/1766013
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