Java NIO理解与使用

Netty的使用或许我们看着官网user guide还是很容易入门的。因为java nio使用非常的繁琐，netty对java nio进行了大量的封装。对于Netty的理解，我们首先需要了解NIO的原理和使用。所以，我也特别渴望去了解NIO这种通信模式。

官方的定义是：nio 是non-blocking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 。是不是很抽象？

在阅读《NIO入门》这篇技术文档之后，收获了很多。包括对Java NIO的理解和使用，所以也特别的感谢作者。

首先，还是来回顾以下从这篇文档中学到的要点。

为什么要使用 NIO?
NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统，因而可以极大地提高速度。

NIO最重要的组成部分

通道 Channels
缓冲区 Buffers
选择器 Selectors


Buffer 是一个对象， 它包含一些要写入或者刚读出的数据。

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，它是写入到缓冲区中的。任何时候访问 NIO 中的数据，您都是将它放到缓冲区中。
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不 仅仅 是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据

看完下面这个例子，基本上就理解buffer和channel的作用了

  1. package yyf.java.nio.ibm;
  2.  
  3. import java.io.*;
  4. import java.nio.*;
  5. import java.nio.channels.*;
  6.  
  7. public class CopyFile {
  8. 	static public void main(String args[]) throws Exception {
  9.  
  10. 		String infile = "c://test/nio_copy.txt";
  11. 		String outfile = "c://test/result.txt";
  12.  
  13. 		FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
  14. 		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
  15. 		// 获取读的通道
  16. 		FileChannel fcin = fin.getChannel();
  17. 		// 获取写的通道
  18. 		FileChannel fcout = fout.getChannel();
  19. 		// 定义缓冲区，并指定大小
  20. 		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  21.  
  22. 		while (true) {
  23. 			// 清空缓冲区
  24. 			buffer.clear();
  25. 			//从通道读取一个数据到缓冲区
  26. 			int r = fcin.read(buffer);
  27. 			//判断是否有从通道读到数据
  28. 			if (r == -1) {
  29. 				break;
  30. 			}
  31. 			//将buffer指针指向头部
  32. 			buffer.flip();
  33. 			//把缓冲区数据写入通道
  34. 			fcout.write(buffer);
  35. 		}
  36. 	}
  37. }

缓冲区主要是三个变量

position
limit
capacity
这三个变量一起可以跟踪缓冲区的状态和它所包含的数据。我们将在下面的小节中详细分析每一个变量，还要介绍它们如何适应典型的读/写(输入/输出)进程。在这个例子中，我们假定要将数据从一个输入通道拷贝到一个输出通道。
Position
您可以回想一下，缓冲区实际上就是美化了的数组。在从通道读取时，您将所读取的数据放到底层的数组中。 position 变量跟踪已经写了多少数据。更准确地说，它指定了下一个字节将放到数组的哪一个元素中。因此，如果您从通道中读三个字节到缓冲区中，那么缓冲区的 position 将会设置为3，指向数组中第四个元素。
同样，在写入通道时，您是从缓冲区中获取数据。 position 值跟踪从缓冲区中获取了多少数据。更准确地说，它指定下一个字节来自数组的哪一个元素。因此如果从缓冲区写了5个字节到通道中，那么缓冲区的 position 将被设置为5，指向数组的第六个元素。
Limit
limit 变量表明还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。
position 总是小于或者等于 limit。
Capacity
缓冲区的 capacity 表明可以储存在缓冲区中的最大数据容量。实际上，它指定了底层数组的大小 ― 或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。
limit 决不能大于 capacity。

缓冲区作为一个数组，这三个变量就是其中数据的标记，也很好理解。


Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

接下来来看看具体的使用把，我创建了一个直接收消息的服务器（一边接收一边写数据可能对于新手不好理解）

服务端：

  1. package yyf.java.nio.test;
  2.  
  3. import java.net.InetSocketAddress;
  4. import java.net.ServerSocket;
  5. import java.nio.ByteBuffer;
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;
  7. import java.nio.channels.Selector;
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
  9. import java.nio.channels.SocketChannel;
  10. import java.util.Iterator;
  11. import java.util.Set;
  12.  
  13. public class NioReceiver {
  14. 	@SuppressWarnings("null")
  15. 	public static void main(String[] args) throws Exception {
  16. 		ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(8);
  17. 		ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
  18. 		Selector selector = Selector.open();
  19. 		ssc.configureBlocking(false);
  20. 		ServerSocket ss = ssc.socket();
  21. 		InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(8080);
  22. 		ss.bind(address);
  23. 		SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  24. 		System.out.println("开始监听……");
  25. 		while (true) {
  26. 			int num = selector.select();
  27. 			Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  28. 			Iterator it = selectedKeys.iterator();
  29. 			while (it.hasNext()) {
  30. 				SelectionKey sKey = (SelectionKey) it.next();
  31. 				SocketChannel channel = null;
  32. 				if (sKey.isAcceptable()) {
  33. 					ServerSocketChannel sc = (ServerSocketChannel) key.channel();
  34. 					channel = sc.accept();// 接受连接请求
  35. 					channel.configureBlocking(false);
  36. 					channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  37. 					it.remove();
  38. 				} else if (sKey.isReadable()) {
  39. 					channel = (SocketChannel) sKey.channel();
  40. 					while (true) {
  41. 						echoBuffer.clear();
  42. 						int r = channel.read(echoBuffer);
  43. 						if (r <= 0) {
  44. 							channel.close();
  45. 							System.out.println("接收完毕，断开连接");
  46. 							break;
  47. 						}
  48. 						System.out.println("##" + r + " " + new String(echoBuffer.array(), 0, echoBuffer.position()));
  49. 						echoBuffer.flip();
  50. 					}
  51. 					it.remove();
  52. 				} else {
  53. 					channel.close();
  54. 				}
  55. 			}
  56. 		}
  57.  
  58. 	}
  59.  
  60. }

客户端（NIO）： 

  1. package yyf.java.nio.test;
  2.  
  3. import java.net.InetSocketAddress;
  4. import java.nio.ByteBuffer;
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;
  6. import java.nio.channels.Selector;
  7. import java.nio.channels.SocketChannel;
  8. import java.util.Iterator;
  9. import java.util.Set;
  10.  
  11. public class NioTest {
  12. 	public static void main(String[] args) throws Exception {
  13. 		ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  14. 		SocketChannel channel = null;
  15. 		Selector selector = null;
  16. 		channel = SocketChannel.open();
  17. 		channel.configureBlocking(false);
  18. 		// 请求连接
  19. 		channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
  20. 		selector = Selector.open();
  21. 		channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  22. 		int num = selector.select();
  23. 		Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  24. 		Iterator it = selectedKeys.iterator();
  25. 		while (it.hasNext()) {
  26. 			SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
  27. 			it.remove();
  28. 			if (key.isConnectable()) {
  29. 				if (channel.isConnectionPending()) {
  30. 					if (channel.finishConnect()) {
  31. 						// 只有当连接成功后才能注册OP_READ事件
  32. 						key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
  33. 						echoBuffer.put("123456789abcdefghijklmnopq".getBytes());
  34. 						echoBuffer.flip();
  35. 						System.out.println("##" + new String(echoBuffer.array()));
  36. 						channel.write(echoBuffer);
  37. 						System.out.println("写入完毕");
  38. 					} else {
  39. 						key.cancel();
  40. 					}
  41. 				}
  42. 			}
  43. 		}
  44.  
  45. 	}
  46. }

运行结果：

  1. 开始监听……
  2. ##8 12345678
  3. ##8 9abcdefg
  4. ##8 hijklmno
  5. ##2 pq
  6. 接收完毕，断开连接



当然，BIO的客户端也可以，开启10个BIO客户端线程

  1. package yyf.java.nio.test;
  2.  
  3. import java.io.ByteArrayOutputStream;
  4. import java.io.IOException;
  5. import java.io.InputStream;
  6. import java.io.OutputStream;
  7. import java.net.InetAddress;
  8. import java.net.InetSocketAddress;
  9. import java.net.Socket;
  10. import java.net.UnknownHostException;
  11. import java.util.Random;
  12.  
  13. import yyf.java.test.Main;
  14.  
  15. public class BioClientTest {
  16. 	public static void main(String[] args) throws Exception {
  17. 		BioClient n = new BioClient();
  18. 		for (int i = 0; i < 10; i++) {
  19. 			Thread t1 = new Thread(n);
  20. 			t1.start();
  21. 		}
  22. 	}
  23. }
  24.  
  25. class BioClient implements Runnable {
  26. 	@Override
  27. 	public void run() {
  28.  
  29. 		try {
  30. 			Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8080);
  31. 			OutputStream os = socket.getOutputStream();
  32. 			InputStream is = socket.getInputStream();
  33. 			ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
  34. 			String str = Thread.currentThread().getName() + "...........sadsadasJava";
  35. 			os.write(str.getBytes());
  36. 			StringBuffer sb = new StringBuffer();
  37. 			byte[] b = new byte[1024];
  38. 			int len;
  39. 			while ((len = is.read(b)) != -1) {
  40. 				bos.write(b, 0, len);
  41. 			}
  42. 			is.close();
  43. 			os.close();
  44. 			socket.close();
  45. 			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完毕 " + new String(bos.toByteArray()));
  46. 		} catch (Exception e) {
  47. 			e.printStackTrace();
  48. 		}
  49. 	}
  50.  
  51. }
运行结果： 

  1. ##8 Thread-4
  2. ##8 ........
  3. ##8 ...sadsa
  4. ##7 dasJava
  5. 接收完毕，断开连接
  6. ##8 Thread-3
  7. ##8 ........
  8. ##8 ...sadsa
  9. ##7 dasJava
  10. 接收完毕，断开连接
  11. ##8 Thread-9
  12. ##8 ........
  13. ##8 ...sadsa
  14. ##7 dasJava
  15. 接收完毕，断开连接
  16. ##8 Thread-7
  17. ##8 ........
  18. ##8 ...sadsa
  19. ##7 dasJava
  20. 接收完毕，断开连接
  21. ##8 Thread-0
  22. ##8 ........
  23. ##8 ...sadsa
  24. ##7 dasJava
  25. 接收完毕，断开连接
  26. ##8 Thread-5
  27. ##8 ........
  28. ##8 ...sadsa
  29. ##7 dasJava
  30. 接收完毕，断开连接
  31. ##8 Thread-2
  32. ##8 ........
  33. ##8 ...sadsa
  34. ##7 dasJava
  35. 接收完毕，断开连接
  36. ##8 Thread-8
  37. ##8 ........
  38. ##8 ...sadsa
  39. ##7 dasJava
  40. 接收完毕，断开连接
  41. ##8 Thread-1
  42. ##8 ........
  43. ##8 ...sadsa
  44. ##7 dasJava
  45. 接收完毕，断开连接
  46. ##8 Thread-6
  47. ##8 ........
  48. ##8 ...sadsa
  49. ##7 dasJava
  50. 接收完毕，断开连接

当然，这只是一个测试，对于一个服务器，是有读取，也有写出的，这是文档给的一个服务端例子 

  1. package yyf.java.nio.ibm;
  2.  
  3. import java.io.*;
  4. import java.net.*;
  5. import java.nio.*;
  6. import java.nio.channels.*;
  7. import java.util.*;
  8.  
  9. public class MultiPortEcho {
  10. 	private int ports[];
  11. 	private ByteBuffer echoBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
  12.  
  13. 	public MultiPortEcho(int ports[]) throws IOException {
  14. 		this.ports = ports;
  15. 		go();
  16. 	}
  17.  
  18. 	private void go() throws IOException {
  19. 		Selector selector = Selector.open();
  20. 		for (int i = 0; i < ports.length; ++i) {
  21. 			ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
  22. 			ssc.configureBlocking(false);
  23. 			ServerSocket ss = ssc.socket();
  24. 			InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
  25. 			ss.bind(address);
  26. 			SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  27. 			System.out.println("Going to listen on " + ports[i]);
  28. 		}
  29.  
  30. 		while (true) {
  31. 			int num = selector.select();
  32. 			Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
  33. 			Iterator it = selectedKeys.iterator();
  34. 			while (it.hasNext()) {
  35. 				SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
  36. 				if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
  37. 					ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
  38. 					SocketChannel sc = ssc.accept();
  39. 					sc.configureBlocking(false);
  40. 					SelectionKey newKey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  41. 					it.remove();
  42. 					System.out.println("Got connection from " + sc);
  43. 				} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {
  44. 					SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
  45. 					int bytesEchoed = 0;
  46. 					while (true) {
  47. 						echoBuffer.clear();
  48. 						int r = sc.read(echoBuffer);
  49. 						if (r <= 0) {
  50. 							sc.close();
  51. 							break;
  52. 						}
  53. 						echoBuffer.flip();
  54. 						sc.write(echoBuffer);
  55. 						bytesEchoed += r;
  56. 					}
  57. 					System.out.println("Echoed " + bytesEchoed + " from " + sc);
  58. 					it.remove();
  59. 				}
  60.  
  61. 			}
  62. 			// System.out.println( "going to clear" );
  63. 			// selectedKeys.clear();
  64. 			// System.out.println( "cleared" );
  65. 		}
  66. 	}
  67.  
  68. 	static public void main(String args[]) throws Exception {
  69. 		int ports[] = new int[] { 8080 };
  70. 		for (int i = 0; i < args.length; ++i) {
  71. 			ports[i] = Integer.parseInt(args[i]);
  72. 		}
  73. 		new MultiPortEcho(ports);
  74. 	}
  75. }

现在，我们就写个客户端去跟服务器通信，把发过去的返回来： 

  1. package yyf.java.nio;
  2.  
  3. import java.io.IOException;
  4. import java.net.InetSocketAddress;
  5. import java.net.SocketAddress;
  6. import java.nio.ByteBuffer;
  7. import java.nio.channels.SocketChannel;
  8.  
  9. import javax.swing.ButtonGroup;
  10.  
  11. public class NioClient {
  12. 	public static void main(String[] args) throws IOException {
  13. 		SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
  14. 		SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080);
  15. 		socketChannel.connect(socketAddress);
  16. 		String str = "你好a";
  17. 		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
  18. 		socketChannel.write(buffer);
  19. 		socketChannel.socket().shutdownOutput();
  20. 	
  21. 		buffer.clear();
  22. 		byte[] bytes;
  23. 		int count = 0;
  24. 		while ((count = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
  25. 			buffer.flip();
  26. 			bytes = new byte[count];
  27. 			buffer.get(bytes);
  28. 			System.out.println(new String(buffer.array()));
  29. 			buffer.clear();
  30. 		}
  31. 		socketChannel.socket().shutdownInput();
  32. 		socketChannel.socket().close();
  33. 		socketChannel.close();
  34. 	}
  35. }


运行结果

server：

  1. Going to listen on 8080
  2. Got connection from java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:63584]
  3. Echoed 7 from java.nio.channels.SocketChannel[closed]

client： 

你好a

对于NIO的入门就先到这里。







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