NIO
数据定义缓冲区容器
官方API介绍
NIO api的核心抽象:
- Buffers,容器数据;
- Charsets及其相关解码器和编码器,字节和Unicode字符之间的转换;
- Channels各种类型的,这表示连接实体能够执行I / O操作;和
- 选择器和选择键,连同可选择的渠道定义一个multiplexed、non-blocking、I/O设施。
java.nio
包定义缓冲区类,用于在整个NIO api。java.nio.charset
包定义字符集API 。- 通道选择器API中定义
java.nio.channels
包。这些子包都有自己的服务提供者(SPI)分装,可用于扩展的内容或构建替代实现平台的默认实现。
Buffers 描述 Buffer
Position, limit, and capacity; clear, flip, rewind, and mark/reset ByteBuffer
Get/put, compact, views; allocate, wrap MappedByteBuffer
A byte buffer mapped to a file CharBuffer
Get/put, compact; allocate, wrap DoubleBuffer
‘ ‘ FloatBuffer
‘ ‘ IntBuffer
‘ ‘ LongBuffer
‘ ‘ ShortBuffer
‘ ‘ ByteOrder
Typesafe enumeration for byte orders 一个缓冲是一个固定的容器的数据量的一个特定的原始类型。
除了其内容缓冲区的位置,这是下一个元素的索引读取或写入,以及限制,这是第一个元素的索引,不应该读或写。
Buffer
基类定义这些属性以及方法清算,翻转,和复卷,对标记当前位置,和重置位置前面的标志。有一个缓冲区类为每个non-boolean原始类型。每个类定义了一个家庭得的到,把移动数据的方法和在一个缓冲区,方法压实、复制,和切片一个缓冲区,和静态方法分配一个新的缓冲区以及包装现有的数组缓冲区。
字节缓冲区是有区别的,因为它们可以作为I / O操作的源和目标。他们也支持一些特性没有找到其他缓冲区类:
- 可以分配一个字节缓冲区
direct
缓冲区,在这种情况下,Java虚拟机将尽最大努力来执行本地直接I / O操作。- 可以创建一个字节缓冲区直接通过
mapping
区域文件到内存中,在这种情况下,一些额外的定义与操作MappedByteBuffer
类是可用的。- 一个字节缓冲区提供对其内容的访问异构或均匀的
binary data
序列任何non-boolean原始类型,在高位优先或低位优先byte order
。除非另外注明,
null
参数传递给构造函数或方法在任何类或接口在这个包将导致NullPointerException
抛出。
阻塞(Blocking)、非阻塞(NonBlock)
- 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态。
- 阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
- 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前,该调用不会阻塞当前线程。
例故事:老王烧开水。
出场人物:老张,水壶两把(普通水壶,简称水壶;会响的水壶,简称响水壶)。老王想了想,有好几种等待方式
- 同步阻塞-老王用水壶煮水,并且站在那里,不管水开没开,每隔一定时间看看水开了没。
- 同步非阻塞-老王还是用水壶煮水,不再傻傻的站在那里看水开,跑去寝室上网,但是还是会每隔一段时间过来看看水开了没有,水没有开就走人。
- 异步阻塞-老王这次使用高大上的响水壶来煮水,站在那里,但是不会再每隔一段时间去看水开,而是等水开了,水壶会自动的通知他。
- 异步非阻塞-老王还是使用响水壶煮水,跑到客厅上网去,等着响水壶自己把水煮熟了以后通知他。
同步(Synchronization)和异步(Async)
- 同步和异步都是基于应用程序使用操作系统处理IO事件所采用的方式。
- 同步:是应用程序要直接参与IO读写的操作。
- 异步:所有的IO读写交给搡作系统去处理,应用程序只需要等待通知。
- 同步方式在处理IO事件的时候,必须阻塞在某个方法上靣等待我们的IO事件完成(阻塞IO事件或者通过轮询IO事件的方式)。
- 对于异步来说,所有的IO读写都交给了操作系统。这个时候,我们可以去做其他的事情,并不要去完成真正的IO操作,当操作完成IO后.会给我们的应用程序一个通知。
- 同步:阻塞到IO事件,阻塞到read成则write。这个时候我们就完全不能做自己的事情,让读写方法加入到线程里面,然后阻塞线程来实现,对线程的性能开销比较大.
BIO与NIO对比
block IO与Non-block IO
- 区别
IO模型 IO NIO 方式 从硬盘到内存 从内存到硬盘 通信 面向流(乡村公路) 面向缓存(高速公路,多路复用技术) 处理 阻塞IO(多线程) 非阻塞IO(反应堆Reactor) 触发 无 选择器(轮询机制)
面向流(io)与面向缓冲(nio)🤡
Java NIO和IO之间第一个最大的区别是,IO是面向流的。NIO是面向缓冲区的。
- Java IO面向流意味着毎次从流中读一个成多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方,此外,它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的教据,需要先将它缓存到一个缓冲区。
- Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,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。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数裾。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
阻塞与非阻塞
- Java IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用read() 或 write()时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
- Java NIO的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,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。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。
选择器(Selector)
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道,你可以注册多个通道使用一个选择器,然后使用一个单独的线程来“选择”通道:这些通里已经有可以处理的褕入,或者选择已准备写入的通道。这选择机制,使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
处理数据的线程数
NIO:一个线程管理多个连接
BIO:一个线程管理一个连接NIO和BIO读取文件
- BIO读取文件 ,BIO从一个阻塞的流中一行一行的读取数据.
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34 package com.charjay.bio.file;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStreamReader;
/**
* BIO读取数据,从一个阻塞的流中,一行一行的读取
* io.txt的内容:随便输入4行
*/
public class ReadFile {
public static void main(String[] args) {
try{
FileInputStream input = new FileInputStream("e://io.txt");
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
String nameLine = reader.readLine();
String ageLine = reader.readLine();
String emailLine = reader.readLine();
String phoneLine = reader.readLine();
String lastLine = reader.readLine();
System.out.println(nameLine);
System.out.println(ageLine);
System.out.println(emailLine);
System.out.println(phoneLine);
System.out.println(lastLine);
input.close();
reader.close();
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- NIO读取文件,通道是数据的载体,buffer是存储数据的地方,线程每次从buffer检查数据通知给通。
Java
[![img](https://gitee.com/yichangkong/FigureBed/raw/master/img/20200525180017.png)](https://gitee.com/yichangkong/FigureBed/raw/master/img/20200525180017.png)
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56 package com.charjay.nio.buffer.file;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.Buffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class BufferProgram {
public static void main(String args[]) throws Exception {
//这用用的是文件IO处理
FileInputStream fin = new FileInputStream("E:/io.txt");
//创建文件的操作管道
FileChannel fc = fin.getChannel();
//分配一个10个大小缓冲区,说白了就是分配一个10个大小的byte数组
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
output("初始化", buffer);
//先读一下
fc.read(buffer);
output("调用read()", buffer);
//准备操作之前,先锁定操作范围
buffer.flip();
output("调用flip()", buffer);
//判断有没有可读数据
while (buffer.remaining() > 0) {
byte b = buffer.get();
// String data=new String(b,"");
System.out.print("data="+((char)b));
}
output("调用get()", buffer);
//可以理解为解锁
buffer.clear();
output("调用clear()", buffer);
//最后把管道关闭
fin.close();
}
//把这个缓冲里面实时状态给答应出来
public static void output(String step, Buffer buffer) {
System.out.println(step + " : ");
//容量,数组大小
System.out.print("capacity: " + buffer.capacity() + ", ");
//当前操作数据所在的位置,也可以叫做游标
System.out.print("position: " + buffer.position() + ", ");
//锁定值,flip,数据操作范围索引只能在position - limit 之间
System.out.println("limit: " + buffer.limit());
System.out.println("=============");
}
}
NIO缓冲区Buffer
缓冲区实际上是一个容器对象,更直接的说,其实就是一个数组。
- 在NIO库中,所有数据都是用缓冲区处理的。
- 在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的;
- 在写入数据时,它也是写入到缓冲区中的;
- 任何时候访问 NIO 中的数据,都是将它放到缓冲区中。
- 而在面向流I/O系统中,所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。
- 反正不管读写到冲着缓冲区Buffer数组取的。👴
在NIO中,所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer,最常用的就是ByteBuffer,对于Java中的基本类型,基本都有一个具体Buffer类型与之相对应,它们之间的继承关系如下图所示:
其中的四个属性的含义分别如下:
容量(Capacity):缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一个容量在缓冲区创建时被设定,并且永远不能改变。
**上界(Limit)**:缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说,缓冲区中现存元素的计数。
**位置(Position)**:下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。
**标记(Mark)**:下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。
Buffer的常见方法如下所示:
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() :
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 。基本操作
Buffer基础操作Java
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30 package com.charjay.nio.buffer;
import java.nio.IntBuffer;
/**
* 基础操作
*/
public class TestIntBuffer {
public static void main(String[] args) {
// 分配新的int缓冲区,参数为缓冲区容量
// 新缓冲区的当前位置将为零,其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组,其数组偏移量将为零。
//分配了8个长度的int数组
IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);
// capacity //数组的长度,容量
for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
int j = (i + 1);
// 将给定整数写入此缓冲区的当前位置,当前位置递增
buffer.put(j);
}
// 重设此缓冲区,将限制设置为当前位置,然后将当前位置设置为0
//固定缓冲区中的某些值,告诉缓冲区,我要开始操作了,如果你再往缓冲区写数据的话,不要再覆盖我固定状态以前的数据了
buffer.flip();
// 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素
while (buffer.hasRemaining()) {
// 读取此缓冲区当前位置的整数,然后当前位置递增
int j = buffer.get();
System.out.print(j + " ");
}
}
}
1 缓冲区分片,缓冲区分配,直接缓存区,缓存区映射,缓存区只读:
- 缓冲区存取数据流程
存数据时position会++,当停止数据读取的时候,调用flip(),此时limit=position,position=0
读取数据时position++,一直读取到limit, clear() 清空 buffer ,准备再次被写入 (position 变成 0 , limit 变成 capacity) 。
NIO通道
通道是一个对象,通过它可以读取和写入数据,当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。
- 我们永远不会将字节直接写入通道中,相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节,而是将数据从通道读入缓冲区,再从缓冲区获取这个字节。
在NIO中,提供了多种通道对象,而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示:
使用NIO读取数据
在前面我们说过,任何时候读取数据,都不是直接从通道读取,而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤:
从FileInputStream获取Channel
- 创建Buffer
- 将数据从Channel读取到Buffer中
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29 package com.charjay.nio.channel;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class FileInputProgram {
static public void main( String args[] ) throws Exception {
FileInputStream fin = new FileInputStream("c:\\test.txt");
// 获取通道
FileChannel fc = fin.getChannel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 读取数据到缓冲区
fc.read(buffer);
buffer.flip();
while (buffer.remaining() > 0) {
byte b = buffer.get();
System.out.print(((char)b));
}
fin.close();
}
}
使用NIO写入数据
使用NIO写入数据与读取数据的过程类似,同样数据不是直接写入通道,而是写入缓冲区,可以分为下面三个步骤:
从FileInputStream获取Channel
创建Buffer
将数据从Channel写入到Buffer中
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27 package com.charjay.nio.channel;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class FileOutputProgram {
static private final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,
98, 121, 116, 101, 115, 46 };
static public void main( String args[] ) throws Exception {
FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "e:\\test.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
for (int i=0; i<message.length; ++i) {
buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();
fc.write( buffer );
fout.close();
}
}
NIO反应堆
阻塞IO模型
在老的IO包中,serverSocket和socket都是阻塞式的,因此一旦有大规模的并发行为,而每一个访问都会开启一个新线程。这时会有大规模的线程上下文切换操作(因为都在等待,所以资源全都被已有的线程吃掉了),这时无论是等待的线程还是正在处理的线程,响应率都会下降,并且会影响新的线程。NIO
Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新IO”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:注: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。
NIO选择器
- 传统的 server / client 模式会基于 TPR ( Thread per Request ) .
- NIO 中非阻塞IO采用了基于Reactor模式的工作方式。
- IO调用不会被阻塞,相反是注册感兴趣的特点IO事件,如可读数据到达,新的套接字等等,在发生持定率件时,系统再通知我们。
- NlO中实现非阻塞IO的核心设计Selector,Selector就是注册各种IO事件的地方,而且当那些事件发生时,就是这个对象告诉我们所发生的事件。
- 当有读或者写等任何注册的事件发生时!
- 可以从Selector中获得相应的SelectionKey,同时从SelectionKey中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel,以获得客户端发送过来的数据。
- 使用NIO中非阻塞IO编写服务器处理程序,有三个步骤
- 向Selector对象注册感兴趣的事件
- 从Selector中获取感兴趣的事件
- 根据不同事件进行相应的处理