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Java【NIO2】- 系列 1: 为什么要写【NIO2】系列?

止静
 止静
发布于 2014/10/24 17:17
字数 2150
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1.   基本 概念

IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现,底层通过 I/O 指令进行完成。


所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。 (c 的 printf scanf,java 的面向对象封装 )


2.    Java 标准 io 回顾

Java 标准 IO 类库是 io 面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。 InputStream\OutputStream( 字节流 ) :一次传送一个字节。 Reader\Writer( 字符流 ) :一次一个字符。


3.    nio 简介

nio 是 java New IO 的简称,在 jdk1.4 里提供的新 api 。 Sun 官方标榜的特性如下:


–     为所有的原始类型提供 (Buffer) 缓存支持。

–     字符集编码解码解决方案。

–     Channel :一个新的原始 I/O 抽象。

–     支持锁和内存映射文件的文件访问接口。

–     提供多路 (non-bloking) 非阻塞式的高伸缩性网络 I/O 。

本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。


4.   Buffer&Chanel

Channel 和 buffer 是 NIO 是两个最基本的数据类型抽象。

Buffer:

–        是一块连续的内存块。

–        是 NIO 数据读或写的中转地。

Channel:

–        数据的源头或者数据的目的地

–        用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据 ,buffer 对象的唯一接口。

–         异步 I/O 支持


package sample;  
  
import java.io.FileInputStream;  
import java.io.FileOutputStream;  
import java.nio.ByteBuffer;  
import java.nio.channels.FileChannel;  
  
public class CopyFile {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        String infile = "C:\\copy.sql";  
        String outfile = "C:\\copy.txt";  
        // 获取源文件和目标文件的输入输出流  
        FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);  
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);  
        // 获取输入输出通道  
        FileChannel fcin = fin.getChannel();  
        FileChannel fcout = fout.getChannel();  
        // 创建缓冲区  
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
        while (true) {  
            // clear方法重设缓冲区,使它可以接受读入的数据  
            buffer.clear();  
            // 从输入通道中将数据读到缓冲区  
            int r = fcin.read(buffer);  
            // read方法返回读取的字节数,可能为零,如果该通道已到达流的末尾,则返回-1  
            if (r == -1) {  
                break;  
            }  
            // flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道  
            buffer.flip();  
            // 从输出通道中将数据写入缓冲区  
            fcout.write(buffer);  
        }  
    }  
}

其中 buffer 内部结构如下 ( 下图拷贝自资料 ):


一个 buffer 主要由 position,limit,capacity 三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格

Buffer 常见方法:

flip(): 写模式转换成读模式

rewind() :将 position 重置为 0 ,一般用于重复读。

clear() :清空 buffer ,准备再次被写入 (position 变成 0 , limit 变成 capacity) 。

compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。

mark() 、 reset():mark 可以标记一个位置, reset 可以重置到该位置。

Buffer 常见类型: ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

channel 常见类型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。 ( 具体代码可以见附件。见 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是参考数据:

–        场景 1 : Copy 一个 370M 的文件

–        场景 2: 三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个 370M 文件


Buffer 常见方法:

flip(): 写模式转换成读模式

rewind() :将 position 重置为 0 ,一般用于重复读。

clear() :清空 buffer ,准备再次被写入 (position 变成 0 , limit 变成 capacity) 。

compact(): 将未读取的数据拷贝到 buffer 的头部位。

mark() 、 reset():mark 可以标记一个位置, reset 可以重置到该位置。

Buffer 常见类型: ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

channel 常见类型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。 ( 具体代码可以见附件。见 nio.sample.filecopy 包下面的例子 ) 以下是参考数据:

–        场景 1 : Copy 一个 370M 的文件

–        场景 2: 三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个 370M 文件

5.    nio.charset

字符编码解码 : 字节码本身只是一些数字,放到正确的上下文中被正确被解析。向 ByteBuffer 中存放数据时需要考虑字符集的编码方式,读取展示 ByteBuffer 数据时涉及对字符集解码。

Java.nio.charset 提供了编码解码一套解决方案。

以我们最常见的 http 请求为例,在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。


以下代码向 baidu 发一次请求,并获取结果进行显示。例子演示到了 charset 的使用。

例子 2BaiduReader.java

package nio.readpage;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
	private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建GBK字符集
	private SocketChannel channel;
	public void readHTMLContent() {
		try {
			InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
"www.baidu.com", 80);
//step1:打开连接
			channel = SocketChannel.open(socketAddress);
		//step2:发送请求,使用GBK编码
			channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
			//step3:读取数据
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲
			while (channel.read(buffer) != -1) {
				buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
				System.out.println(charset.decode(buffer));
				// 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
				buffer.clear();// 清空缓冲
			}
		} catch (IOException e) {
			System.err.println(e.toString());
		} finally {
			if (channel != null) {
				try {
					channel.close();
				} catch (IOException e) {
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		new BaiduReader().readHTMLContent();
	}
}

6.      非阻塞 IO

关于非阻塞 IO 将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心 API 几个方面来理解。

何为阻塞?

一个常见的网络 IO 通讯流程如下 :

该网络通讯过程来理解一下何为阻塞 :

在以上过程中若连接还没到来,那么 accept 会阻塞 , 程序运行到这里不得不挂起, CPU 转而执行其他线程。

在以上过程中若数据还没准备好, read 会一样也会阻塞。

阻塞式网络 IO 的特点:多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些 CPU 时间。每个线程遇到外部为准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该 cpu 不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。

 

何为非阻塞?

下面有个隐喻:

一辆从 A 开往 B 的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?

1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。 ( 类似阻塞式 )

2. 每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )

很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ,只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。

  非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务,通过任务间协作完成。

由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。

事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。

线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

以下是异步 IO 的结构:

Reactor 就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。


对于Selector 异步IO的核心,请参考NIO API解析。



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