Java NIO(七)FileChannel
Java NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。FileChannel无法设置为非阻塞模式,它总是运行在阻塞模式下。
打开FileChannel
在使用FileChannel之前,必须先打开它。但是,我们无法直接打开一个FileChannel,需要通过使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例:
- RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
- FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
从FileChannel读取数据
调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如:
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buf);
首先,分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。
然后,调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1,表示到了文件末尾。
向FileChannel写数据
使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据,该方法的参数是一个Buffer。如:
- String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- buf.put(newData.getBytes());
- buf.flip();
- while(buf.hasRemaining()) {
- channel.write(buf);
- }
注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节,因此需要重复调用write()方法,直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。
关闭FileChannel
用完FileChannel后必须将其关闭。如:
- channel.close();
FileChannel的position方法
有时可能需要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操作。可以通过调用position()方法获取FileChannel的当前位置。
也可以通过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。
这里有两个例子:
- long pos = channel.position();
- channel.position(pos +123);
如果将位置设置在文件结束符之后,然后试图从文件通道中读取数据,读方法将返回-1 —— 文件结束标志。
如果将位置设置在文件结束符之后,然后向通道中写数据,文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能导致“文件空洞”,磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。
FileChannel的size方法
FileChannel实例的size()方法将返回该实例所关联文件的大小。如:
- long fileSize = channel.size();
FileChannel的truncate方法
可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时,文件将中指定长度后面的部分将被删除。如:
- channel.truncate(1024);
这个例子截取文件的前1024个字节。
FileChannel的force方法
FileChannel.force()方法将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。出于性能方面的考虑,操作系统会将数据缓存在内存中,所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点,需要调用force()方法。
force()方法有一个boolean类型的参数,指明是否同时将文件元数据(权限信息等)写到磁盘上。
下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上:
- channel.force(true);
Java NIO(八)SocketChannel
Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel:
- 打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
- 一个新连接到达ServerSocketChannel时,会创建一个SocketChannel。
打开 SocketChannel
下面是SocketChannel的打开方式:
- SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
- socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
关闭 SocketChannel
当用完SocketChannel之后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel:
- socketChannel.close();
从 SocketChannel 读取数据
要从SocketChannel中读取数据,调用一个read()的方法之一。以下是例子:
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = socketChannel.read(buf);
首先,分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。
然后,调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1,表示已经读到了流的末尾(连接关闭了)。
写入 SocketChannel
写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法,该方法以一个Buffer作为参数。示例如下:
- String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- buf.put(newData.getBytes());
- buf.flip();
- while(buf.hasRemaining()) {
- channel.write(buf);
- }
注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以,我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。
非阻塞模式
可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式(non-blocking mode).设置之后,就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。
connect()
如果SocketChannel在非阻塞模式下,此时调用connect(),该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立,可以调用finishConnect()的方法。像这样:
- socketChannel.configureBlocking(false);
- socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
- while(! socketChannel.finishConnect() ){
- //wait, or do something else...
- }
- write()
非阻塞模式下,write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。前面已经有例子了,这里就不赘述了。
read()
非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值,它会告诉你读取了多少字节。
非阻塞模式与选择器
非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好,通过将一或多个SocketChannel注册到Selector,可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取,写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。
Java NIO(九)ServerSocketChannel
这里有个例子:
- ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
- serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
- while(true){
- SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
- //do something with socketChannel...
- }
打开 ServerSocketChannel
通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如:
- ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
关闭 ServerSocketChannel
通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如:
- serverSocketChannel.close();
监听新进来的连接
通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。
通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子:
- while(true){
- SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
- //do something with socketChannel...
- }
当然,也可以在while循环中使用除了true以外的其它退出准则。
非阻塞模式
ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下,accept() 方法会立刻返回,如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此,需要检查返回的SocketChannel是否是null.如:
- ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
- serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
- serverSocketChannel.configureBlocking(false);
- while(true){
- SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
- if(socketChannel != null){
- //do something with socketChannel...
- }
- }
Java NIO(十)DatagramChannel
Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议,所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。
打开 DatagramChannel
下面是 DatagramChannel 的打开方式:
- DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
- channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
这个例子打开的 DatagramChannel可以在UDP端口9999上接收数据包。
接收数据
通过receive()方法从DatagramChannel接收数据,如:
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- channel.receive(buf);
receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据,多出的数据将被丢弃。
发送数据
通过send()方法从DatagramChannel发送数据,如:
- String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- buf.put(newData.getBytes());
- buf.flip();
- int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。 因为服务端并没有监控这个端口,所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到,因为UDP在数据传送方面没有任何保证。
连接到特定的地址
可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。由于UDP是无连接的,连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel ,让其只能从特定地址收发数据。
这里有个例子:
- channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
当连接后,也可以使用read()和write()方法,就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子:
- int bytesRead = channel.read(buf);
- int bytesWritten = channel.write(but);
Java NIO(十一)Pipe
Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道,从source通道读取。
这里是Pipe原理的图示:
创建管道
通过Pipe.open()方法打开管道。例如:
- Pipe pipe = Pipe.open();
向管道写数据
要向管道写数据,需要访问sink通道。像这样:
- Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
通过调用SinkChannel的write()方法,将数据写入SinkChannel,像这样:
- String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- buf.put(newData.getBytes());
- buf.flip();
- while(buf.hasRemaining()) {
- sinkChannel.write(buf);
- }
从管道读取数据
从读取管道的数据,需要访问source通道,像这样:
- Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
调用source通道的read()方法来读取数据,像这样:
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buf);
read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区。
Java NIO(十二)NIO与IO
当学习了Java NIO和IO的API后,一个问题马上涌入脑海:
我应该何时使用IO,何时使用NIO呢?在本文中,我会尽量清晰地解析Java NIO和IO的差异、它们的使用场景,以及它们如何影响您的代码设计。
Java NIO和IO的主要区别
下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别,我会更详细地描述表中每部分的差异。
IO NIO
面向流 面向缓冲
阻塞IO 非阻塞IO
无 选择器
面向流与面向缓冲
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面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,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数据,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据。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IO
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(Selectors)
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:这些通道里已经有可以处理的输入,或者选择已准备写入的通道。这种选择机制,使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
NIO和IO如何影响应用程序的设计
- 对NIO或IO类的API调用
- 数据处理
- 用来处理数据的线程数
API调用
当然,使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同,但这并不意外,因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取,而是数据必须先读入缓冲区再处理。
数据处理
使用纯粹的NIO设计相较IO设计,数据处理也受到影响。
在IO设计中,我们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流,例如:
Name: Anna
Age: 25
Email: anna@mailserver.com
Phone: 1234567890
该文本行的流可以这样处理:
- InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket
- BufferedReader reader = new BufferedReader(new <tuihighlight class="tuihighlight">InputStream</tuihighlight>Reader(input));
- String nameLine = reader.readLine();
- String ageLine = reader.readLine();
- String emailLine = reader.readLine();
- String phoneLine = reader.readLine();
请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说,一旦reader.readLine()方法返回,你就知道肯定文本行就已读完, readline()阻塞直到整行读完,这就是原因。你也知道此行包含名称;同样,第二个readline()调用返回的时候,你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到,该处理程序仅在有新数据读入时运行,并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据,该线程不会再回退数据(大多如此)。下图也说明了这条原则:
(Java IO: 从一个阻塞的流中读数据) 而一个NIO的实现会有所不同,下面是一个简单的例子:
- ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buffer);
注意第二行,从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时,你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是,该缓冲区包含一些字节,这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后,读入缓冲区的数据只有半行,例如,“Name:An”,你能处理数据吗?显然不能,需要等待,直到整行数据读入缓存,在此之前,对数据的任何处理毫无意义。
所以,你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢?好了,你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是,在你知道所有数据都在缓冲区里之前,你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下,而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如:
- ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buffer);
- while(! bufferFull(bytesRead) ) {
- bytesRead = inChannel.read(buffer);
- }
bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区,并返回真或假,这取决于缓冲区是否已满。换句话说,如果缓冲区准备好被处理,那么表示缓冲区满了。
bufferFull()方法扫描缓冲区,但必须保持在bufferFull()方法被调用之前状态相同。如果没有,下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的,但却是需要注意的又一问题。
如果缓冲区已满,它可以被处理。如果它不满,并且在你的实际案例中有意义,你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”:
用来处理数据的线程数
NIO可让您只使用一个(或几个)单线程管理多个通道(网络连接或文件),但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。
如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,例如聊天服务器,实现NIO的服务器可能是一个优势。同样,如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上,如P2P网络中,使用一个单独的线程来管理你所有出站连接,可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示:
如果你有少量的连接使用非常高的带宽,一次发送大量的数据,也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计:
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