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JAVA NIO 简介

vieky
 vieky
发布于 2014/12/12 16:39
字数 2102
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  1. 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 )  

  1. 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。  

  1. 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。  

  1. 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。  

          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


图1:channel和buffer关系
 

 

例子 1:CopyFile.java:  

Java代码  收藏代码

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 ):  


图2:buffer内部结构 

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:

参数  

写模式    

读模式  

position  

当前写入的单位数据数量。  

当前读取的单位数据位置。  

limit  

代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。  

代表最多能读多少单位数据,和之前写入的单位数据量一致。  

capacity  

buffer  容量  

buffer  容量  

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

   

场景  

FileInputStream+  

FileOutputStream  

FileInputStream+  

BufferedInputStream+  

FileOutputStream  

ByteBuffer+  

FileChannel  

MappedByteBuffer  

+FileChannel  

场景一时间 (  毫秒 )                   

25155  

17500  

19000  

16500  

场景二时间 (  毫秒 )  

69000  

67031  

74031  

71016  

  1. 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  

Java代码  收藏代码

  1. 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();  
        }  
    }

 

  1. 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 :  



 

图3:网络通讯基本过程

从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:



 

图4:非阻塞基本原理

 

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。

异步 IO   核心 API  

Selector  

异步 IO  的核心类,它能检测一个或多个通道 (channel)  上的事件,并将事件分发出去。  

使用一个 select  线程就能监听多个通道上的事件,并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个 channel  去分配一个线程。  

SelectionKey  

包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。  




本文转载自:http://www.iteye.com/topic/834447

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