NIO的使用

NIO的使用

导读
  J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符转换，缓冲以及通道。

一. 介绍NIO
NIO包（java.nio.*）引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。
1． Buffer：它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3． Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。
4． Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中（它可以被看成是Unix中select（）函数或Win32中WaitForSingleEvent（）函数的面向对象版本）。
二. 回顾传统
在介绍NIO之前，有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例，传统方式需要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务（服务通常包括了处理请求并发送响应）图一是服务器的生命周期图，其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。
  
   图一
可以分析创建服务器的每个具体步骤。





Java代码 
1.//首先创建ServerSocket 
2. ServerSocket server=new ServerSocket（10000）； 
3.//然后接受新的连接请求 
4. Socket newConnection=server.accept（）； 
5.//对于accept方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，//服务器可以读客户socket中的请求。 
6.InputStream in = newConnection.getInputStream(); 
7.InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in); 
8.BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader); 
9.Request request = new Request(); 
10.while(!request.isComplete()) { 
11.  String line = buffer.readLine(); 
12.  request.addLine(line); 
13.} 
  



这 样的操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine（）方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞，只有一定数据填满了缓冲区或者客户 关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存 储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。
同样的问题在发送响应代码中也存在





Java代码 
1.Response response = request.generateResponse(); 
2.OutputStream out = newConnection.getOutputStream(); 
3.InputStream in = response.getInputStream()； 
4.int ch； 
5.while(-1 != (ch = in.read())) { 
6.  out.write(ch); 
7.} 
8.newConnection.close(); 
  



类似的，读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，但是一旦使用缓冲，流又会产生更多的垃圾。
传统的解决方法
  通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程（大量的线程）。一般是实现一个线程池用来处理请求，如图二
  
       图二
线程使得服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。
三. 新I/O
1． Buffer
传统的I/O不断的浪费对象资源（通常是String）。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它根据其类别只包含唯一的数据类型。





Java代码 
1.java.nio.Buffer //类描述  
2.java.nio.ByteBuffer //包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在    WritableByteChannel中写  
3.java.nio.MappedByteBuffer //包含字节类型，直接在内存某一区域映射  
4.java.nio.CharBuffer //包含字符类型，不能写入通道  
5.java.nio.DoubleBuffer //包含double类型，不能写入通道  
6.java.nio.FloatBuffer //包含float类型  
7.java.nio.IntBuffer //包含int类型  
8.java.nio.LongBuffer //包含long类型  
9.java.nio.ShortBuffer //包含short类型  
  



可 以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用 Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在 Java数组基础上创建buffer。
2． 字符编码
向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，但是并没有处理字符转换。事实上，ByteBuffer没有提供方法读写String。
  Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。
3． 通道(Channel)
你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下
  
    图三
  图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader
4． Selector
在 过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方 法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在 事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事 件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子
  

        图四
并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位，将要用两次。首先，当应用调 用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时，它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后，一旦SelectionKey被选中了，SelectionKey的 readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道 不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。





Java代码 
1.ServerSocketChannel OP_ACCEPT  
2.SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE  
3.DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE  
4.Pipe.SourceChannel OP_READ  
5.Pipe.SinkChannel OP_WRITE  
  




四. 举例说明
1． 简单网页内容下载
这个例子非常简单，类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。





Java代码 
1.package examples.nio; 
2. 
3.import java.nio.ByteBuffer; 
4.import java.nio.channels.SocketChannel; 
5.import java.nio.charset.Charset; 
6.import java.net.InetSocketAddress; 
7.import java.io.IOException; 
8. 
9.public class SocketChannelReader{ 
10.    
11.    private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//创建UTF-8字符集 
12.    private SocketChannel channel; 
13. 
14.    public void getHTMLContent(){ 
15.    try{ 
16.       connect(); 
17.       sendRequest(); 
18.       readResponse(); 
19.    }catch(IOException e){ 
20.       System.err.println(e.toString()); 
21.    }finally{ 
22.     if(channel!=null){ 
23.     try{ 
24.      channel.close(); 
25.  }catch(IOException e){} 
26.     } 
27. } 
28.    } 
29.    private void connect()throws IOException{//连接到CSDN 
30. InetSocketAddress socketAddress= 
31.     new InetSocketAddress("www.csdn.net",80); 
32. channel=SocketChannel.open(socketAddress); 
33. //使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上 
34. //相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用 
35.} 
36. 
37.private void sendRequest()throws IOException{ 
38. channel.write(charset.encode("GET " 
39.        +"/document" 
40.        +"\r\n\r\n"));//发送GET请求到CSDN的文档中心 
41. //使用channel.write方法，它需要CharByte类型的参数，使用 
42. //Charset.encode(String)方法转换字符串。 
43.    } 
44. 
45.    private void readResponse()throws IOException{//读取应答 
46. ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲 
47. while(channel.read(buffer)!=-1){ 
48.     buffer.flip();//flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。 
49.     System.out.println(charset.decode(buffer)); 
50.//使用Charset.decode方法将字节转换为字符串 
51.     buffer.clear();//清空缓冲 
52. } 
53.    } 
54. 
55.    public static void main(String [] args){ 
56. new SocketChannelReader().getHTMLContent(); 
57.    } 
  



2． 简单的加法服务器和客户机
服务器代码





Java代码 
1.package examples.nio; 
2. 
3.import java.nio.ByteBuffer; 
4.import java.nio.IntBuffer; 
5.import java.nio.channels.ServerSocketChannel; 
6.import java.nio.channels.SocketChannel; 
7.import java.net.InetSocketAddress; 
8.import java.io.IOException; 
9. 
10./**
11. * SumServer.java
12. *
13. *
14. * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
15. *
16. * @author starchu1981
17. * @version 1.0
18. */ 
19.public class SumServer { 
20. 
21.    private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); 
22.    private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); 
23.    private SocketChannel _clientChannel=null; 
24.    private ServerSocketChannel _serverChannel=null; 
25. 
26.    public void start(){ 
27. try{ 
28.     openChannel(); 
29.     waitForConnection(); 
30. }catch(IOException e){ 
31.     System.err.println(e.toString()); 
32. } 
33.    } 
34. 
35.    private void openChannel()throws IOException{ 
36. _serverChannel=ServerSocketChannel.open(); 
37. _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000)); 
38. System.out.println("服务器通道已经打开"); 
39.    } 
40. 
41.    private void waitForConnection()throws IOException{ 
42. while(true){ 
43.     _clientChannel=_serverChannel.accept(); 
44.     if(_clientChannel!=null){ 
45.System.out.println("新的连接加入"); 
46.processRequest(); 
47._clientChannel.close(); 
48.     } 
49. } 
50.    } 
51. 
52.    private void processRequest()throws IOException{ 
53. _buffer.clear(); 
54. _clientChannel.read(_buffer); 
55. int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1); 
56. _buffer.flip(); 
57. _buffer.clear(); 
58. _intBuffer.put(0,result); 
59. _clientChannel.write(_buffer); 
60.    } 
61. 
62.    public static void main(String [] args){ 
63. new SumServer().start(); 
64.    } 
65.} // SumServer 
66.客户代码 
67.package examples.nio; 
68. 
69.import java.nio.ByteBuffer; 
70.import java.nio.IntBuffer; 
71.import java.nio.channels.SocketChannel; 
72.import java.net.InetSocketAddress; 
73.import java.io.IOException; 
74. 
75./**
76. * SumClient.java
77. *
78. *
79. * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
80. *
81. * @author starchu1981
82. * @version 1.0
83. */ 
84.public class SumClient { 
85. 
86.    private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); 
87.    private IntBuffer _intBuffer; 
88.    private SocketChannel _channel; 
89. 
90.    public SumClient() { 
91.      _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); 
92.    } // SumClient constructor 
93.    
94.    public int getSum(int first,int second){ 
95. int result=0; 
96. try{ 
97.     _channel=connect(); 
98.     sendSumRequest(first,second); 
99.     result=receiveResponse(); 
100. }catch(IOException e){System.err.println(e.toString()); 
101. }finally{ 
102.     if(_channel!=null){ 
103.  try{ 
104.      _channel.close(); 
105.  }catch(IOException e){} 
106.     } 
107. } 
108. return result; 
109.    } 
110. 
111.    private SocketChannel connect()throws IOException{ 
112. InetSocketAddress socketAddress= 
113.     new InetSocketAddress("localhost",10000); 
114. return SocketChannel.open(socketAddress); 
115.    } 
116.    
117.    private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{ 
118. _buffer.clear(); 
119. _intBuffer.put(0,first); 
120. _intBuffer.put(1,second); 
121. _channel.write(_buffer); 
122. System.out.println("发送加法请求 "+first+"+"+second); 
123.    } 
124.    
125.    private int receiveResponse()throws IOException{ 
126. _buffer.clear(); 
127. _channel.read(_buffer); 
128. return _intBuffer.get(0); 
129.    } 
130. 
131.    public static void main(String [] args){ 
132. SumClient sumClient=new SumClient(); 
133. System.out.println("加法结果为 :"+sumClient.getSum(100,324)); 
134.    } 
135.} // SumClient 
  



3． 非阻塞的加法服务器
首先在openChannel方法中加入语句
  _serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式

重写WaitForConnection方法的代码如下，使用非阻塞方式





Java代码 
1.private void waitForConnection()throws IOException{ 
2. Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();  
3. 
4. /*在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。
5. 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表
6. 上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。*/ 
7. SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, 
8.           SelectionKey.OP_ACCEPT); 
9. int keysAdded = 0; 
10.  
11. /*select方法在任何上面注册了的操作发生时返回*/ 
12. while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) { 
13.     // 某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合 
14.     Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys(); 
15.     Iterator i = readyKeys.iterator(); 
16. 
17.     // 遍历ready键集合，并处理加法请求 
18.     while (i.hasNext()) { 
19.  SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next(); 
20.  i.remove(); 
21.  ServerSocketChannel nextReady = 
22.      (ServerSocketChannel)sk.channel(); 
23.  // 接受加法请求并处理它 
24.  _clientSocket = nextReady.accept().socket(); 
25.   processRequest(); 
26.   _clientSocket.close(); 
27.     } 
28.  } 
29.    } 
  




参考资料
1． <Master Merlin's new I/O classes>   From <http://www.javawordl.com/ >
2． J2SE1.4.2 API Specification From <http://java.sun.com/ >
3． <Working with SocketChannels> From <http://developer.java.sun.com/developer >
  4.   NIO Examples From <http://java.sun.com/ >

http://java.sun.com/javase/6/docs/technotes/guides/io/example/index.html