程序员最近都爱上了这个网站  程序员们快来瞅瞅吧！  it98k网:it98k.com

NIO

NIO，有人解释为new I/O,有人解释为Non-block I/O(我更倾向后者)。

正是由于Java传统BIO的拙劣表现，才使得Java支持非阻塞I/O的呼声日渐高涨，最终，JDK1.4版本提供了新的NIO类库，Java终于也可以支持非阻塞I/O 了。NIO主要的类和接口如下:

• 进行异步I/O操作的缓冲区ByteBuffer等;
• 进行异步I/O操作的管道Pipe；
• 进行各种I/O操作（异步或者同步）的Channel,包括ServerSocketChannel和SocketChannel。
• 多种字符集的编码能力和解码能力；
• 实现非阻塞I/O操作的多路复用器selector：
• 基千流行的Perl实现的正则表达式类库；
• 文件通道FileChannelo。

新的NIO类库的提供，极大地促进了基于Java的异步非阻塞编程的发展和应用，但是，它依然有不完善的地方，特别是对文件系统的处理能力仍显不足，主要问题如下。

• 没有统一的文件属性（例如读写权限）；
• API能力比较弱，例如目录的级联创建和递归遍历，往往需要自己实现：
• 底层存储系统的一些高级API无法使用：
• 所有的文件操作都是同步阻塞调用，不支持异步文件读写操作。

2011年7月28日，JDKI.7正式发布。她将原来的NIO类库进行了升级，被称为NIO2.0。它主要提供了如下三个方 面的改进。

• 能够提供能够批量获取文件属性的API，这些API具有平台无关性，不与特定的文件系统相耦合，另外它还提供了标准文件系统的SPI,供各个服务提供商扩展实现；
• 提供AIO功能，支持基于文件的异步I/O操作和针对网络套接字的异步操作；
• 完成JSR-5I定义的通道功能，包括对配置和多播数据报的支持等；

NIO类库概念和功能介绍

缓冲区Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。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，写入到缓冲区中。任何吋候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组(ByteBuffer),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以及维护读写位置(limit)等信息。

最常用的缓冲区是ByteBuffer, 一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组。除了 ByteBuffer,还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型(除了 Boolean类型)都对应有一种缓冲区，具体如下。

• ByteBuffer：字节缓冲区
• CharBuffer：字符缓冲区
• ShortBuffer：短整型缓冲K
• IntBuffer：整形缓冲区
• LongBuffer：长整形缓冲区
• FloatBuffer：浮点型缓冲区
• DoubleBuffer： 双精度浮点型缓冲区

每—个Buffer类都是Buffer接口的一个T实例。除了 ByteBuffer,每一个Buffe类都有完全一样的操作，只是它们所处理的数据类型不一样。因为大多数标准I/O操作都使用ByteBuffer,所以它除了具有一般缓冲区的操作之外还提供一些特有的操作，方便网络读写。

管道channel

Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而且通道可以用于读、写或者同时用于读写。

Channel的类继承图如下。

因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

多路复用器Selector

多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。 简单来讲， Selector会不断地轮询注册在其上的Channel,如果某个Channel上面有新的TCP 连接接入、 读和写事件， 这个Channel就处于就绪状态， 会被Selector轮询出来， 然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合， 进行后续的I/O操作。

使用NIO实现服务端

public class TimeServerNio {
 
    public static void main(String[] args) {
        //设置监听端口
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                //采用默认值
            }
        }
 
        //创建了一个被称为MultiplexerTimeServer的多路复用类， 它是个一个独立
        //的线程， 负责轮洵多路复用器Selctor,可以处理多个客户端的并发接入
        MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port);
 
        new Thread(timeServer, "NIO-MultiplexerTirneServer-001H").start();
    }
 
}
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable {
 
    private Selector selector;
 
    private ServerSocketChannel servChannel;
 
    private volatile boolean stop;
 
    /**
     * 在构造方法中进行资源初始化， 创建多路复用器Selector、
     * ServerSocketChannel,对 Channel 和 TCP 参数进行配置
     *
     * @param port
     */
    public MultiplexerTimeServer(int port) {
        try {
            selector = Selector.open();
            servChannel = ServerSocketChannel.open();
            //设置为异步非阻塞模式
            servChannel.configureBlocking(false);
            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024);
            //注册selector
            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("The time server is start in port : " + port);
        } catch (IOException e) {
            //资源初始化失败，退出系统
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }
 
    public void stop() {
        this.stop = true;
    }
 
 
    @Override
    public void run() {
        while (!stop) {
            try {
                //循环遍历selector,它的休眠时间为1s
                selector.select(1000);
                //返回就绪状态的Channel的SelectionKey集合
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
 
                //通过对就绪状态的Channel集合进行迭代， 可以进行网络的异步读写操作
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try {
                        handleInput(key);
                    } catch (Exception e) {
                        if (key != null) {
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null) {
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                t.printStackTrace();
            }
        }
 
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null) {
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
 
        if (key.isValid()) {
            // 处理新接入的请求消息
            if (key.isAcceptable()) {
                // Accept the new connection
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                // Add the new connection to the selector
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            if (key.isReadable()) {
                // Read the data
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if (readBytes > 0) {
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes, "UTF-8");
                    System.out.println("The time server receive order : "
                                       + body);
                    String currentTime = "QUERY TIME ORDER"
                                                 .equalsIgnoreCase(body) ? new java.util.Date(
                            System.currentTimeMillis()).toString()
                                                                         : "BAD ORDER";
                    doWrite(sc, currentTime);
                } else if (readBytes < 0) {
                    // 对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                } else {
                    ; // 读到0字节，忽略
                }
            }
        }
    }
 
    /**
     * 将应答消息异步发送给客户端
     *
     * @param channel channel
     * @param response response
     * @throws IOException exception
     */
    private void doWrite(SocketChannel channel, String response)
            throws IOException {
        if (response != null && response.trim().length() > 0) {
            //将字符串编码成字节数组， 根据字节数组的容量创建ByteBuff
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            //将字节数据复制到缓冲区
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            //将缓冲区中的字节数组发送出去
            channel.write(writeBuffer);
        }
    }
}

使用NIO实现客户端

public class TimeClientNio {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        int port = 8080;
        if (args != null && args.length > 0) {
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                // 采用默认值
            }
        }
        new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "TimeClient-001")
                .start();
    }
}
public class TimeClientHandle implements Runnable{
    private String host;
    private int port;
 
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
 
    private volatile boolean stop;
 
    /**
     * implements Runnable
     *
     * @param host host
     * @param port port
     */
    public TimeClientHandle(String host, int port) {
        this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
        this.port = port;
        try {
            selector = Selector.open();
            socketChannel = SocketChannel.open();
            //设置为异步非阻塞模式
            socketChannel.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }
 
    @Override
    public void run() {
        try {
            //发送连接请求
            doConnect();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        while (!stop) {
            try {
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while (it.hasNext()) {
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try {
                        handleInput(key);
                    } catch (Exception e) {
                        if (key != null) {
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null)
                                key.channel().close();
                        }
                    }
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
 
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null){
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
 
    }
 
    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException {
 
        if (key.isValid()) {
            // 判断是否连接成功
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            //如果返回值为true,说明客户端连接成功
            if (key.isConnectable()) {
                if (sc.finishConnect()) {
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    doWrite(sc);
                } else {
                    System.exit(1);// 连接失败，进程退出
                }
            }
            if (key.isReadable()) {
                //预分配1M的接收缓冲K用于读取应答消息， 调川Socketchannel的read()方法进行异步读取操作
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
 
                if (readBytes > 0) {
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes, "UTF-8");
                    System.out.println("Now is : " + body);
                    this.stop = true;
                } else if (readBytes < 0) {
                    // 对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                } else
                    ; // 读到0字节，忽略
            }
        }
 
    }
 
    private void doConnect() throws IOException {
        // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))) {
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(socketChannel);
        } else {
            //如果没有直接连接成功， 则说明服务端没有返回TCP握手应答消息， 但这并不代表连接失败， 我们需要将SocketChannel
            //注册到多路复用器Selector上， 注册SelectionKey.OP CONNECT»当服务端返回TCP
            //syn-ack消息后， Selector就能够轮询到这个SocketChannel处于连接就绪状态
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }
 
    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException {
        byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
        writeBuffer.put(req);
        writeBuffer.flip();
        sc.write(writeBuffer);
        //hasRemaining()方法对发送结果进行判断， 是否全部发送完成
        if (!writeBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println("Send order 2 server succeed.");
        }
    }
}

NIO编程难度确实比同步阻塞BIO大很多， 上面的NIO 例子并没有考虑“ 半包读” 和“ 半包写” ， 如果加上这些， 代码将会更加复杂。

NIO优点总结

1. 客户端发起的连接操作是异步的， 可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果， 不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
2. Socketchannel的读写操作都是异步的， 如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回， 这样I/O通信线程就可以处理其他的链路， 不需要同步等待这个链路可用。
3. 线程模型的优化： 由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现， 它没有连接句柄数的限制(只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制)， 这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接， 而且性能不会随着客户端的增加而线性下降， 因此， 它非常适合做高性能、 高负载的网络服务器。