帶你完全掌握Java NIO（總結分享）
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- 2022-03-31 11:54:051759瀏覽
本篇文章為大家帶來了關於java的相關知識，其中主要介紹了NIO的相關問題，包括了NIO核心、BIO與NIO比較、透過NIO實現簡單的服務端客戶端通信，希望對大家有幫助。
推薦學習：《java教學》
一、Java心智圖
#二、I/O模型
I/O模型的本質是用什麼樣的通道進行資料的傳送和接收，很大程度上決定了程式通訊的效能。
Java共支援三種網路程式設計模型：BIO、NIO、AIO
BIO：同步且阻塞，服務實作模式為一個連接一個線程，即客戶端有一個連接請求時，服務端就需要啟動一個執行緒進行處理。
NIO： 同步非阻塞，伺服器實作模式為一個執行緒處理多個請求連接，即客戶端發送的請求都會註冊到多工器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求就進行處理。
AIO：非同步非阻塞，AIO引入非同步通道的概念，採用了Proactor模式，簡化了程式編寫，有效的請求才啟動線程，它的特點是先由作業系統完成後才通知服務端。
三、BIO、NIO、AIO應用場景
#BIO方式適用於連接數目比較小且固定的架構，這種方式對伺服器資源需求比較高， 並發侷限於應用程式中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程式簡單易理解。
NIO方式適用於連接數目多且連接比較短（輕操作）的架構，例如聊天伺服器，彈幕 系統，伺服器間通訊等。程式比較複雜，JDK1.4開始支援。
AIO方式使用於連接數目多且連接比較長（重操作）的架構，例如相簿伺服器，充分呼叫OS參與並發操作，程式設計比較複雜，JDK7開始支援
四、BIO程式設計簡單流程
伺服器端啟動一個ServerSocket;
客戶端啟動Socket對伺服器進行通信，預設伺服器端需要對每個客戶建立一個執行緒與之通訊；
客戶端發出請求後, 先諮詢伺服器是否有執行緒回應，如果沒有則會等待，或被拒絕；
如果有回應，客戶端執行緒會等待請求結束後，在繼續執行；
五、NIO核心
NIO 有三大核心部分：Selector(選擇器)、Channel(通道)、Buffer(緩衝區)。
NIO是面向緩衝區，或者說面向區塊編程，資料讀取到一個它稍後處理的緩衝區，需要時可在緩衝區中前後移動，這就增加了處理過程中的靈活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸縮性網路。
HTTP2.0使用了多路復用的技術，做到同一個連線並發處理多個請求，而且並發請求 的數量比HTTP1.1大了好幾個數量級。
簡而言之，NIO可以一個執行緒處理多個請求。
六、BIO與NIO比較
BIO 以流的方式處理資料,而NIO 以區塊的方式處理資料,區塊I/O 的效率比流I /O 高很多；
BIO 是阻塞的，NIO 則是非阻塞的；
BIO基於位元組流和字元流進行操作，而NIO 是基於Channel(通道)和Buffer(緩衝區)進行操作，資料總是從通道讀取到緩衝區中，或從緩衝區寫入到通道中。 Selector(選擇器)用於監聽多個頻道的事件（例如：連線請求，資料到達等），因 此使用單一執行緒就可以監聽多個客戶端通道。
七、NIO 三大核心原理示意圖
# 流程圖說明：
Selector 對應一個線程， 一個線程對應多個channel(連接)；
該圖反應了有三個channel 註冊到該selector //程式；
每個channel 都會對應一個Buffer；
#程式切換到哪個channel 是有事件決定的, Event 就是一個重要的概念;
Selector 會根據不同的事件，在各個通道上切換;
Buffer 就是一個記憶體區塊， 底層是有一個陣列；
資料的讀取寫入是透過Buffer, 這個和BIO , BIO 中要么是輸入流，或者是輸出流, 不能雙向，但是NIO的Buffer 是可以讀也可以寫, 需要flip 方法切換；
channel 是雙向的, 可以返回底層作業系統的情況, 例如Linux ， 底層的作業系統通道就是雙向的；
八、緩衝區（buffer）
緩衝區本質上是一個可以讀寫資料的記憶體區塊，可以理解成是一個容器物件(含數組)，該物件提供了一組方法，可以更輕鬆地使用記憶體區塊，，緩衝區物件內建了一些機制，能夠追蹤和記錄緩衝區的狀態變化。 Channel 提供從檔案、 網路讀取資料的管道，但讀取或寫入的資料都必須經由 Buffer。
在 NIO 中，Buffer 是一個頂層父類，它是一個抽象類別。
1、常用Buffer子類別一覽
ByteBuffer，儲存位元組資料到緩衝區；
-
ShortBuffer，儲存字串資料到緩衝區；
CharBuffer，儲存字元資料到緩衝區；
- ##IntBuffer，儲存整數資料到緩衝區；
- LongBuffer，儲存長整數資料到緩衝區；
- DoubleBuffer，儲存小數到緩衝區；
- FloatBuffer，儲存小數到緩衝區；
#2、buffer四大屬性
- mark：標記
- position：位置，下一個要被讀或寫的元素的索引， 每次讀寫緩衝區資料時都會改變改值， 為下次讀寫作準備。
- limit：表示緩衝區的目前終點，不能對緩衝區 超過極限的位置進行讀寫作業。且極限 是可以修改的
- capacity：容量，即可以容納的最大資料量；在緩 衝區創建時被設定並且不能改變。
3、buffer常用api
JDK1.4時，引入的api- public final int capacity( )//傳回此緩衝區的容量
- public final int position( )//傳回此緩衝區的位置
- public final Buffer position ( int newPositio)//設定此緩衝區的位置
- public final int limit( )//傳回此緩衝區的限制
- public final Buffer limit (int newLimit)//設定此緩衝區區的限制
- public final Buffer mark( )//在此緩衝區的位置設定標記
- public final Buffer reset( )//將此緩衝區的位置重設為先前標記的位置
- public final Buffer clear( )//清除此緩衝區, 即將各個標記恢復到初始狀態，但是資料並沒有真正擦除, 後面操作會覆蓋
- public final Buffer flip( )//反轉此緩衝區
- public final Buffer rewind( )//重繞此緩衝區
- public final int remaining( )//傳回目前位置與限制之間的元素數
- public final boolean hasRemaining( )//告知在目前位置和限制之間是否有元素
- public abstract boolean isReadOnly( );//告知此緩衝區是否為只告知此緩衝區是否為只讀取緩衝區
- #public abstract boolean hasArray();//告知此緩衝區是否具有可存取的底層實作陣列
- public abstract Object array();//傳回此緩衝區的底層實作陣列
- public abstract int arrayOffset();//傳回此緩衝區的底層實作陣列中第一個緩衝區元素的偏移
- public abstract boolean isDirect();//告知此緩衝區是否為直接緩衝區
- 。通道（channel）
- 1、基本介紹
（1）NIO的通道類似串流
##通道可以同時進行讀寫，而流只能讀或只能寫；通道可以實現異步讀寫數據
通道可以從緩衝讀數據，也可以寫數據到緩衝- #（2）BIO 中的stream 是單向的，例如FileInputStream 物件只能進行讀取資料的操作，而NIO 中的通道(Channel)是雙向的，可以讀取操作，也可以寫入操作。 ### （3）Channel在NIO中是一個介面### （4）常用的 Channel 類別有：FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。 ServerSocketChanne 類似 ServerSocket , SocketChannel 類似 Socket。 ### （5）FileChannel 用於檔案的資料讀寫， DatagramChannel 用於 UDP 的資料讀寫， ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用於 TCP 的資料讀寫。 #########2、FileChannel#########FileChannel主要用來對本機檔案進行IO 操作，常見的方法有：############read ，從通道讀取資料並放到緩衝區中############write，把緩衝區的資料寫到通道中############transferFrom，從目標通道中複製資料到目前通道############transferTo，把資料從目前通道複製給目標通道###
3、關於Buffer 和Channel的注意事項和細節
#ByteBuffer 支援類型化的put 和get, put 放入的是什麼資料類型，get就應該使用對應的資料類型來取出，否則可能有BufferUnderflowException 異常。
可以將一個普通Buffer 轉換成唯讀Buffer。
NIO 也提供了 MappedByteBuffer， 可以讓檔案直接在記憶體（堆外的記憶體）中進 行修改， 而如何同步到檔案由NIO 來完成。
NIO 也支援 透過多個 Buffer (即 Buffer 陣列) 完成讀寫操作，即 Scattering 和 Gathering。
十、Selector(選擇器)
1、基本介紹
Java 的NIO ，用非阻塞的IO 方式。可以用一個線程，處理多個的客戶端連 接，就會使用到Selector(選擇器)。
Selector 能夠偵測多個註冊的頻道上是否有事件發生，如果有事件發生，便取得事件然 後針對每個事件進行對應的處理。這樣就可以只用一個單線程去管理多個 通道，也就是管理多個連線和請求。
只有在連接/通道真正有讀寫事件發生時，才會進行讀寫，就大大地減少了系統開銷，並且不必為每個連接都創建一個線程，不用去維護多個線程。
避免了多執行緒之間的上下文切換所導致的開銷。
2、selector的相關方法
-
#open();//得到一個選擇器物件
select(long timeout);//監控所有註冊的通道，當其中有IO 操作可以進行時，將對應的SelectionKey 加入內部集合中並返回，參數用來設定逾時時間
selectedKeys();//從內部集合中得到所有的SelectionKey。
3、注意事項
NIO中的 ServerSocketChannel功能類似ServerSocket，SocketChannel功能類別 就像Socket。
十一、透過NIO實作簡單的服務端客戶端通訊
1、服務端
package com.nezha.guor.nio;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.*;import java.util.Iterator;public class NioServer {
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private static final int PORT = 8080;
public NioServer() {
try {
//获得选择器
selector = Selector.open();
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//设置非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//将该ServerSocketChannel 注册到selector
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
System.out.println("NioServer error:"+e.getMessage());
}
}
public void listen() {
System.out.println("监听线程启动: " + Thread.currentThread().getName());
try {
while (true) {
int count = selector.select();
if(count > 0) {
//遍历得到selectionKey集合
Iterator<selectionkey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = serverSocketChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
}
//通道发送read事件，即通道是可读的状态
if(key.isReadable()) {
getDataFromChannel(key);
}
//当前的key 删除，防止重复处理
iterator.remove();
}
} else {
System.out.println("等待中");
}
}
}catch (Exception e) {
System.out.println("listen error:"+e.getMessage());
}
}
private void getDataFromChannel(SelectionKey key) {
SocketChannel channel = null;
try {
channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根据count的值做处理
if(count > 0) {
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println("来自客户端: " + msg);
//向其它的客户端转发消息(排除自己)
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
}catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了");
//取消注册
key.cancel();
}catch (IOException ex) {
System.out.println("getDataFromChannel error:"+ex.getMessage());
}
}finally {
try {
channel.close();
}catch (IOException ex) {
System.out.println("channel.close() error:"+ex.getMessage());
}
}
}
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将信息存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer数据写入通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建服务器对象
NioServer nioServer = new NioServer();
nioServer.listen();
}}</selectionkey>
2、客戶端
package com.nezha.guor.nio;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.util.Iterator;import java.util.Scanner;public class NioClient {
private final int PORT = 8080; //服务器端口
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
public NioClient() throws IOException {
selector = Selector.open();
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 说：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
System.out.println("sendInfo error:"+e.getMessage());
}
}
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {
Iterator<selectionkey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
}
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
} else {
System.out.println("没有可以用的通道...");
}
}catch (Exception e) {
System.out.println("readInfo error:"+e.getMessage());
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
NioClient nioClient = new NioClient();
new Thread() {
public void run() {
while (true) {
nioClient.readInfo();
try {
Thread.currentThread().sleep(2000);
}catch (InterruptedException e) {
System.out.println("sleep error:"+e.getMessage());
}
}
}
}.start();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
nioClient.sendInfo(scanner.nextLine());
}
}}</selectionkey>
3、控制台輸出
#推薦學習：《java教學》
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