java nio 基礎(chǔ)用法

傳統(tǒng)的io模型問題：

在傳統(tǒng)的IO模型中，每個(gè)連接創(chuàng)建成功之后都需要一個(gè)線程來維護(hù)，每個(gè)線程包含一個(gè)while死循環(huán)，那么1w個(gè)連接對(duì)應(yīng)1w個(gè)線程，繼而1w個(gè)while死循環(huán)，這就帶來如下幾個(gè)問題：

線程資源受限：線程是操作系統(tǒng)中非常寶貴的資源，同一時(shí)刻有大量的線程處于阻塞狀態(tài)是非常嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，操作系統(tǒng)耗不起

線程切換效率低下：?jiǎn)螜C(jī)cpu核數(shù)固定，線程爆炸之后操作系統(tǒng)頻繁進(jìn)行線程切換，應(yīng)用性能急劇下降。

除了以上兩個(gè)問題，IO編程中，我們看到數(shù)據(jù)讀寫是以字節(jié)流為單位，效率不高。

NIO編程模型

NIO編程模型中，新來一個(gè)連接不再創(chuàng)建一個(gè)新的線程，而是可以把這條連接直接綁定到某個(gè)固定的線程，然后這條連接所有的讀寫都由這個(gè)線程來負(fù)責(zé)，那么他是怎么做到的？我們用一幅圖來對(duì)比一下IO與NIO

如上圖所示，IO模型中，一個(gè)連接來了，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線程，對(duì)應(yīng)一個(gè)while死循環(huán)，死循環(huán)的目的就是不斷監(jiān)測(cè)這條連接上是否有數(shù)據(jù)可以讀，大多數(shù)情況下，1w個(gè)連接里面同一時(shí)刻只有少量的連接有數(shù)據(jù)可讀，因此，很多個(gè)while死循環(huán)都白白浪費(fèi)掉了，因?yàn)樽x不出啥數(shù)據(jù)。

而在NIO模型中，他把這么多while死循環(huán)變成一個(gè)死循環(huán)，這個(gè)死循環(huán)由一個(gè)線程控制，那么他又是如何做到一個(gè)線程，一個(gè)while死循環(huán)就能監(jiān)測(cè)1w個(gè)連接是否有數(shù)據(jù)可讀的呢？

這就是NIO模型中selector的作用，一條連接來了之后，現(xiàn)在不創(chuàng)建一個(gè)while死循環(huán)去監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)可讀了，而是直接把這條連接注冊(cè)到selector上，然后，通過檢查這個(gè)selector，就可以批量監(jiān)測(cè)出有數(shù)據(jù)可讀的連接，進(jìn)而讀取數(shù)據(jù)，下面我再舉個(gè)非常簡(jiǎn)單的生活中的例子說明IO與NIO的區(qū)別。

在一家幼兒園里，小朋友有上廁所的需求，小朋友都太小以至于你要問他要不要上廁所，他才會(huì)告訴你。幼兒園一共有100個(gè)小朋友，有兩種方案可以解決小朋友上廁所的問題：

每個(gè)小朋友配一個(gè)老師。每個(gè)老師隔段時(shí)間詢問小朋友是否要上廁所，如果要上，就領(lǐng)他去廁所，100個(gè)小朋友就需要100個(gè)老師來詢問，并且每個(gè)小朋友上廁所的時(shí)候都需要一個(gè)老師領(lǐng)著他去上，這就是IO模型，一個(gè)連接對(duì)應(yīng)一個(gè)線程。

所有的小朋友都配同一個(gè)老師。這個(gè)老師隔段時(shí)間詢問所有的小朋友是否有人要上廁所，然后每一時(shí)刻把所有要上廁所的小朋友批量領(lǐng)到廁所，這就是NIO模型，所有小朋友都注冊(cè)到同一個(gè)老師，對(duì)應(yīng)的就是所有的連接都注冊(cè)到一個(gè)線程，然后批量輪詢。

這就是NIO模型解決線程資源受限的方案，實(shí)際開發(fā)過程中，我們會(huì)開多個(gè)線程，每個(gè)線程都管理著一批連接，相對(duì)于IO模型中一個(gè)線程管理一條連接，消耗的線程資源大幅減少

由于NIO模型中線程數(shù)量大大降低，線程切換效率因此也大幅度提高

NIO解決這個(gè)問題的方式是數(shù)據(jù)讀寫不再以字節(jié)為單位，而是以字節(jié)塊為單位。IO模型中，每次都是從操作系統(tǒng)底層一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地讀取數(shù)據(jù)，而NIO維護(hù)一個(gè)緩沖區(qū)，每次可以從這個(gè)緩沖區(qū)里面讀取一塊的數(shù)據(jù)，

這就好比一盤美味的豆子放在你面前，你用筷子一個(gè)個(gè)夾（每次一個(gè)），肯定不如要勺子挖著吃（每次一批）效率來得高。

一、Buffer demo

public class BufferTest {

public static void main(String[] args) {

//靜態(tài)方法常見 buffer

IntBuffer buf = IntBuffer.allocate(10);

int[] array = new int[]{3, 5, 1};

//put一個(gè)數(shù)組到buffer中，使用put方式將

// buf.put(array);

//使用wrap方式會(huì)直接更改原數(shù)組

buf = buf.wrap(array);

//IntBuffer.wrap(array, 0, 2);

buf.put(0, 7);

int length = buf.limit();

for (int i = 0; i < length; i++) {

System.out.print(buf.get(i));

}

for (int i = 0; i < array.length; i++) {

System.out.print(array[i]);

}

System.out.println(buf);

/**

* limit = position;

* position = 0;

*/

buf.flip();

/**

* position = 0;

* limit = capacity;

*/

buf.clear();

System.out.println(buf);

//創(chuàng)建一個(gè)新的字節(jié)緩沖區(qū)，共享此緩沖區(qū)的內(nèi)容

IntBuffer newBuffer = buf.duplicate();

System.out.println(newBuffer);

}

}

二、FileChannel demo

public class FileChannelTest {

public static void testFileChannel() throws IOException {

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("D:/nio-data.txt", "rw");

FileChannel channel = aFile.getChannel();

//分配一個(gè)新的緩沖區(qū)

ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = channel.read(allocate);

while (bytesRead != -1) {

System.out.println("Read " + bytesRead);

allocate.flip();

while (allocate.hasRemaining()) {

System.out.print((char) allocate.get());

}

allocate.clear();

bytesRead = channel.read(allocate);

}

aFile.close();

}

public static void fileChannelDemo() throws IOException {

//定義一個(gè)byteBuffer

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

FileChannel inputChannel = new FileInputStream("D:/nio-data.txt").getChannel();

FileChannel outputChannel = new FileOutputStream("D:/nio-data.txt", true).getChannel();

//讀取數(shù)據(jù)

byteBuffer.clear();

int len = inputChannel.read(byteBuffer);

System.out.println(new String(byteBuffer.array(), "UTF-8"));

System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len, "UTF-8"));

ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.wrap("奧會(huì)計(jì)師八度空間".getBytes());

outputChannel.write(byteBuffer2);

outputChannel.close();

inputChannel.close();

}

public static void main(String[] args) {

try {

FileChannelTest.fileChannelDemo();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

三、不使用 選擇器 selector 的 ServerSocketChannel 和 SocketChannel? 的demo

服務(wù)端：

public class NioChannelServer {

private ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

//獲取一個(gè)intBuffer視圖，操作視圖的同時(shí)原緩沖區(qū)也會(huì)改變

private IntBuffer intBuffer = byteBuffer.asIntBuffer();

private SocketChannel socketChannel = null;

private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;

/**

* 打開服務(wù)端的通道

*

* @throws Exception

*/

public void openChannel() throws Exception {

serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));

System.out.println("服務(wù)端通道已經(jīng)打開");

}

/**

* 等待新的連接

*

* @throws Exception

*/

public void waitReqConn() throws Exception {

while (true) {

socketChannel = serverSocketChannel.accept();

if (null != socketChannel) {

System.out.println("新的連接加入！");

}

//處理請(qǐng)求

processReq();

socketChannel.close();

}

}

private void processReq() throws IOException {

System.out.println("開始讀取和處理客戶端數(shù)據(jù)。。");

byteBuffer.clear();

socketChannel.read(byteBuffer);

int result = intBuffer.get(0) + intBuffer.get(1);

byteBuffer.flip();

byteBuffer.clear();

//修改視圖，byteBuffer也會(huì)變化

intBuffer.put(0, result);

socketChannel.write(byteBuffer);

System.out.println("讀取處理完成");

}

public void start() {

try {

//打開通道

openChannel();

//等待客戶端連接

waitReqConn();

socketChannel.close();

System.out.println("服務(wù)端處理完畢");

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args){

new NioChannelServer().start();

}

}

客戶端：

public class NioChannelClient {

private SocketChannel socketChannel = null;

private ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(8);

private IntBuffer intBuffer = buff.asIntBuffer();

public SocketChannel connect() throws IOException {

return SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

}

public int getSum(int a, int b) {

int result = 0;

try {

socketChannel = connect();

sendRequest(a, b);

result = receiveResult();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

return result;

}

private int receiveResult() throws IOException {

buff.clear();

socketChannel.read(buff);

return intBuffer.get(0);

}

private void sendRequest(int a, int b) throws IOException {

buff.clear();

intBuffer.put(0,a);

intBuffer.put(1,b);

socketChannel.write(buff);

System.out.println("客戶端發(fā)送請(qǐng)求 ("+a+"+"+b+")");

}

public static void main(String[] args){

Random random = new Random();

for (int i = 0; i <10 ; i++) {

int result = new NioChannelClient().getSum(random.nextInt(100),random.nextInt(100));

System.out.println(result);

}

}

}

四、使用 selector 方式 實(shí)現(xiàn) ServerSocketChannel? 和 SocketChannel

選擇器（Selector） 是 SelectableChannle 對(duì)象的多路復(fù)用器，Selector 可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè) SelectableChannel 的 IO 狀況，也就是說，利用 Selector可使一個(gè)單獨(dú)的線程管理多個(gè) Channel，selector 是非阻塞 IO 的核心。

選擇器（Selector）的應(yīng)用：

當(dāng)通道使用register（Selector sel, int ops）方法將通道注冊(cè)選擇器時(shí)，選擇器對(duì)通道事件進(jìn)行監(jiān)聽，通過第二個(gè)參數(shù)指定監(jiān)聽的事件類型。

其中可監(jiān)聽的事件類型包括以下：

讀 : SelectionKey.OP_READ （1）

寫 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

連接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

如果需要監(jiān)聽多個(gè)事件是：

int key =?SelectionKey.OP_READ |?SelectionKey.OP_WRITE ; //表示同時(shí)監(jiān)聽讀寫操作

服務(wù)端：

public class SelectorServer {

private Selector selector = null;

private ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;

private int keys = 0;

public void initServer() throws IOException {

selector = Selector.open();

serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

serverSocketChannel.configureBlocking(false);

//服務(wù)端通道注冊(cè)accept事件

serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

}

private void listen() throws IOException {

System.out.println("服務(wù)端已經(jīng)啟動(dòng)");

while (true) {

//讓通道選擇器至少選擇一個(gè)通道,阻塞的方法

keys = this.selector.select();

//selector.wakeup();//可以喚醒阻塞的select()方法

//設(shè)置超時(shí)時(shí)間，非阻塞

//this.selector.select(1000);

System.out.println(keys);

Iterator itor = this.selector.selectedKeys().iterator();

if (keys > 0) {

//進(jìn)行輪詢

while (itor.hasNext()) {

try{

SelectionKey key = itor.next();

if (key.isAcceptable()) {

//serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();

//獲取和客戶端連接的服務(wù)端渠道

SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();

channel.configureBlocking(false);

channel.write(ByteBuffer.wrap("hello".getBytes()));

//還需要讀取客戶端發(fā)過來的數(shù)據(jù)，所以需要注冊(cè)一個(gè)讀取數(shù)據(jù)的事件

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) {

read(key);

}

}finally {

//處理完一個(gè)key，就刪除，防止重復(fù)處理

itor.remove();

}

}

} else {

System.out.println("select finished without any keys");

}

}

}

private void read(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int len = socketChannel.read(byteBuffer);

String msg = new String(byteBuffer.array(), 0, len);

System.out.println("服務(wù)端接收到的消息是" + msg);

}

public void start() {

try {

initServer();

listen();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args) {

new SelectorServer().start();

}

}

客戶端：

public class SelectorClient {

private Selector selector;

private ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

private ByteBuffer inputBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

private int keys = 0;

private SocketChannel socketChannel = null;

public void initClient() throws IOException {

selector = Selector.open();

socketChannel = SocketChannel.open();

//客戶端通道配置為非阻塞

socketChannel.configureBlocking(false);

//連接服務(wù)端

socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));

//注冊(cè)客戶端連接服務(wù)器的事件

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

}

private void listen() throws IOException {

while (true) {

keys = this.selector.select();

System.out.println(keys);

if (keys > 0) {

Iterator iter = this.selector.selectedKeys().iterator();

while (iter.hasNext()) {

try{

SelectionKey key = iter.next();

if (key.isConnectable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

if (channel.isConnectionPending()) {

channel.finishConnect();

System.out.println("完成連接");

}

//連接完成之后，肯定還要做其它的事情，比如寫

channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

} else if (key.isWritable()) {

SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

outBuffer.clear();

System.out.println("客戶端正在寫數(shù)據(jù)。。");

//從控制臺(tái)寫消息

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

while (true) {

String msg = scanner.next();

channel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));

if("end".equals(msg)) {

break;

}

}

channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

System.out.println("客戶端寫數(shù)據(jù)完成。。。");

} else if (key.isReadable()) {

SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

inputBuffer.clear();

int len = socketChannel.read(inputBuffer);

System.out.println("讀取服務(wù)端發(fā)送的消息：" + new String(inputBuffer.array()));

}

}finally{

iter.remove();

}

}

} else {

System.out.println("select finished without any keys");

}

}

}

public void start() {

try {

initClient();

listen();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args){

new SelectorClient().start();

}

}

nio的非阻塞是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通道來說的，需要使用Channel.configureBlocking(false)來設(shè)置通道為非阻塞的，如果沒設(shè)置，默認(rèn)是阻塞的。

Java 任務(wù)調(diào)度

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