1.基本概念
IO是主存和外部设备(硬盘、终端和网络等)拷贝数据的过程。IO是操作系统的底层功能实现,底层通过I/O指令进行完成。
所有语言运行时系统提供执行I/O较高级别的工具。(c的printf scanf,java的面向对象封装)
2.Java标准io回顾
Java标准IO类库是io面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。InputStream\OutputStream(字节流):一次传送一个字节。Reader\Writer(字符流):一次一个字符。
3.nio简介
nio是java New IO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。
本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。
4.Buffer&Chanel
Channel和buffer是NIO是两个最基本的数据类型抽象。
Buffer:
–是一块连续的内存块。
–是NIO数据读或写的中转地。
Channel:
–数据的源头或者数据的目的地
–用于向buffer提供数据或者读取buffer数据,buffer对象的唯一接口。
–异步I/O支持
图1:channel和buffer关系
例子1:CopyFile.java:
Java代码
- packagesample;
-
- importjava.io.FileInputStream;
- importjava.io.FileOutputStream;
- importjava.nio.ByteBuffer;
- importjava.nio.channels.FileChannel;
-
- publicclassCopyFile{
- publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{
- Stringinfile="C:\\copy.sql";
- Stringoutfile="C:\\copy.txt";
- //获取源文件和目标文件的输入输出流
- FileInputStreamfin=newFileInputStream(infile);
- FileOutputStreamfout=newFileOutputStream(outfile);
- //获取输入输出通道
- FileChannelfcin=fin.getChannel();
- FileChannelfcout=fout.getChannel();
- //创建缓冲区
- ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
- while(true){
- //clear方法重设缓冲区,使它可以接受读入的数据
- buffer.clear();
- //从输入通道中将数据读到缓冲区
- intr=fcin.read(buffer);
- //read方法返回读取的字节数,可能为零,如果该通道已到达流的末尾,则返回-1
- if(r==-1){
- break;
- }
- //flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
- buffer.flip();
- //从输出通道中将数据写入缓冲区
- fcout.write(buffer);
- }
- }
- }
其中buffer内部结构如下(下图拷贝自资料):
图2:buffer内部结构
一个buffer主要由position,limit,capacity三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格:
参数
|
写模式
|
读模式
|
position
|
当前写入的单位数据数量。
|
当前读取的单位数据位置。
|
limit
|
代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。
|
代表最多能读多少单位数据,和之前写入的单位数据量一致。
|
capacity
|
buffer容量
|
buffer容量
|
Buffer常见方法:
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():清空buffer,准备再次被写入(position变成0,limit变成capacity)。
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。
channel常见类型:FileChannel、DatagramChannel(UDP)、SocketChannel(TCP)、ServerSocketChannel(TCP)
在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。(具体代码可以见附件。见nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是参考数据:
–场景1:Copy一个370M的文件
–场景2:三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个370M文件
场景
|
FileInputStream+
FileOutputStream
|
FileInputStream+
BufferedInputStream+
FileOutputStream
|
ByteBuffer+
FileChannel
|
MappedByteBuffer
+FileChannel
|
场景一时间(毫秒)
|
25155
|
17500
|
19000
|
16500
|
场景二时间(毫秒)
|
69000
|
67031
|
74031
|
71016
|
5.nio.charset
字符编码解码:字节码本身只是一些数字,放到正确的上下文中被正确被解析。向ByteBuffer中存放数据时需要考虑字符集的编码方式,读取展示ByteBuffer数据时涉及对字符集解码。
Java.nio.charset提供了编码解码一套解决方案。
以我们最常见的http请求为例,在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。
以下代码向baidu发一次请求,并获取结果进行显示。例子演示到了charset的使用。
例子2BaiduReader.java
Java代码
- packagenio.readpage;
-
- importjava.nio.ByteBuffer;
- importjava.nio.channels.SocketChannel;
- importjava.nio.charset.Charset;
- importjava.net.InetSocketAddress;
- importjava.io.IOException;
- publicclassBaiduReader{
- privateCharsetcharset=Charset.forName("GBK");//创建GBK字符集
- privateSocketChannelchannel;
- publicvoidreadHTMLContent(){
- try{
- InetSocketAddresssocketAddress=newInetSocketAddress(
- "www.baidu.com",80);
- //step1:打开连接
- channel=SocketChannel.open(socketAddress);
- //step2:发送请求,使用GBK编码
- channel.write(charset.encode("GET"+"/HTTP/1.1"+"\r\n\r\n"));
- //step3:读取数据
- ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲
- while(channel.read(buffer)!=-1){
- buffer.flip();//flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
- System.out.println(charset.decode(buffer));
- //使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
- buffer.clear();//清空缓冲
- }
- }catch(IOExceptione){
- System.err.println(e.toString());
- }finally{
- if(channel!=null){
- try{
- channel.close();
- }catch(IOExceptione){
- }
- }
- }
- }
- publicstaticvoidmain(String[]args){
- newBaiduReader().readHTMLContent();
- }
- }
6.非阻塞 IO
关于非阻塞IO将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心API几个方面来理解。
何为阻塞?
一个常见的网络IO通讯流程如下:
图3:网络通讯基本过程
从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞:
在以上过程中若连接还没到来,那么accept会阻塞,程序运行到这里不得不挂起,CPU转而执行其他线程。
在以上过程中若数据还没准备好,read会一样也会阻塞。
阻塞式网络IO的特点:多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间。每个线程遇到外部为准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该cpu不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。
何为非阻塞?
下面有个隐喻:
一辆从A开往B的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?
1.司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。(类似阻塞式)
2.每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。(类似非阻塞)
很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是CPU。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客(线程)都在睡觉(休眠),只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。
非阻塞的原理
把整个过程切换成小的任务,通过任务间协作完成。
由一个专门的线程来处理所有的IO事件,并负责分发。
事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
线程通讯:线程之间通过wait,notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。
以下是异步IO的结构:
图4:非阻塞基本原理
Reactor就是上面隐喻的售票员角色。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。
异步IO核心API
Selector
异步IO的核心类,它能检测一个或多个通道(channel)上的事件,并将事件分发出去。
使用一个select线程就能监听多个通道上的事件,并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个channel去分配一个线程。
SelectionKey
包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。
例子1单线程实现监听两个端口。(见nio.asyn包下面的例子。)
例子2NIO线程协作实现资源合理利用。(wait,notify)。(见nio.asyn.multithread下的例子)
例子见原文附件
转:http://www.iteye.com/topic/834447
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