Java NIO與IO的差別和比較
導(dǎo)讀
J2SE1.4以上版本號中公布了全新的I/O類庫。本文將通過一些實(shí)例來簡介NIO庫提供的一些新特性:非堵塞I/O,字符轉(zhuǎn)換,緩沖以及通道。
一. 介紹NIO
NIO包(java.nio.*)引入了四個(gè)關(guān)鍵的抽象數(shù)據(jù)類型,它們共同解決傳統(tǒng)的I/O類中的一些問題。
1. Buffer:它是包括數(shù)據(jù)且用于讀寫的線形表結(jié)構(gòu)。當(dāng)中還提供了一個(gè)特殊類用于內(nèi)存映射文件的I/O操作。
2. Charset:它提供Unicode字符串影射到字節(jié)序列以及逆影射的操作。
3. Channels:包括socket,file和pipe三種管道,它實(shí)際上是雙向交流的通道。
4. Selector:它將多元異步I/O操作集中到一個(gè)或多個(gè)線程中(它能夠被看成是Unix中select()函數(shù)或Win32中WaitForSingleEvent()函數(shù)的面向?qū)ο蟀姹咎枺?/div>
二. 回想傳統(tǒng)
在介紹NIO之前,有必要了解傳統(tǒng)的I/O操作的方式。以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例,傳統(tǒng)方式須要監(jiān)聽一個(gè)ServerSocket,接受請求的連接為其提供服務(wù)(服務(wù)通常包含了處理請求并發(fā)送響應(yīng))圖一是server的生命周期圖,當(dāng)中標(biāo)有粗黑線條的部分表明會發(fā)生I/O堵塞。
圖一
能夠分析創(chuàng)建server的每一個(gè)詳細(xì)步驟。首先創(chuàng)建ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket(10000);
然后接受新的連接請求
Socket newConnection=server.accept();
對于accept方法的調(diào)用將造成堵塞,直到ServerSocket接受到一個(gè)連接請求為止。一旦連接請求被接受,server能夠讀客戶socket中的請求。
InputStream in = newConnection.getInputStream();
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);
Request request = new Request();
while(!request.isComplete()) {
String line = buffer.readLine();
request.addLine(line);
}
這種操作有兩個(gè)問題,首先BufferedReader類的readLine()方法在其緩沖區(qū)未滿時(shí)會造成線程堵塞,僅僅有一定數(shù)據(jù)填滿了緩沖區(qū)或者客戶關(guān)閉了套接字,方法才會返回。其次,它回產(chǎn)生大量的垃圾,BufferedReader創(chuàng)建了緩沖區(qū)來從客戶套接字讀入數(shù)據(jù),可是相同創(chuàng)建了一些字符串存儲這些數(shù)據(jù)。盡管BufferedReader內(nèi)部提供了StringBuffer處理這一問題,可是全部的String非常快變成了垃圾須要回收。
相同的問題在發(fā)送響應(yīng)代碼中也存在
Response response = request.generateResponse();
OutputStream out = newConnection.getOutputStream();
InputStream in = response.getInputStream();
int ch;
while(-1 != (ch = in.read())) {
out.write(ch);
}
newConnection.close();
類似的,讀寫操作被堵塞并且向流中一次寫入一個(gè)字符會造成效率低下,所以應(yīng)該使用緩沖區(qū),可是一旦使用緩沖,流又會產(chǎn)生很多其它的垃圾。
傳統(tǒng)的解決方法
通常在Java中處理堵塞I/O要用到線程(大量的線程)。通常是實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程池用來處理請求,如圖二
圖二
線程使得server能夠處理多個(gè)連接,可是它們也相同引發(fā)了很多問題。每一個(gè)線程擁有自己的棧空間并且占用一些CPU時(shí)間,耗費(fèi)非常大,并且非常多時(shí)間是浪費(fèi)在堵塞的I/O操作上,沒有有效的利用CPU。
三. 新I/O
1. Buffer
傳統(tǒng)的I/O不斷的浪費(fèi)對象資源(一般是String)。新I/O通過使用Buffer讀寫數(shù)據(jù)避免了資源浪費(fèi)。Buffer對象是線性的,有序的數(shù)據(jù)集合,它依據(jù)其類別僅僅包括唯一的數(shù)據(jù)類型。
java.nio.Buffer 類描寫敘述
java.nio.ByteBuffer 包括字節(jié)類型。 能夠從ReadableByteChannel中讀在 WritableByteChannel中寫
java.nio.MappedByteBuffer 包括字節(jié)類型,直接在內(nèi)存某一區(qū)域映射
java.nio.CharBuffer 包括字符類型,不能寫入通道
java.nio.DoubleBuffer 包括double類型,不能寫入通道
java.nio.FloatBuffer 包括float類型
java.nio.IntBuffer 包括int類型
java.nio.LongBuffer 包括long類型
java.nio.ShortBuffer 包括short類型
能夠通過調(diào)用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一個(gè)Buffer。特別的,你能夠創(chuàng)建MappedBytesBuffer通過調(diào)用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接(direct)buffer在內(nèi)存中分配一段連續(xù)的塊并使用本地訪問方法讀寫數(shù)據(jù)。非直接(nondirect)buffer通過使用Java中的數(shù)組訪問代碼讀寫數(shù)據(jù)。有時(shí)候必須使用非直接緩沖比如使用不論什么的wrap方法(如ByteBuffer.wrap(byte[]))在Java數(shù)組基礎(chǔ)上創(chuàng)建buffer。
2. 字符編碼
向ByteBuffer中存放數(shù)據(jù)涉及到兩個(gè)問題:字節(jié)的順序和字符轉(zhuǎn)換。ByteBuffer內(nèi)部通過ByteOrder類處理了字節(jié)順序問題,可是并沒有處理字符轉(zhuǎn)換。其實(shí),ByteBuffer沒有提供方法讀寫String。
Java.nio.charset.Charset處理了字符轉(zhuǎn)換問題。它通過構(gòu)造CharsetEncoder和CharsetDecoder將字符序列轉(zhuǎn)換成字節(jié)和逆轉(zhuǎn)換。
3. 通道(Channel)
你可能注意到現(xiàn)有的java.io類中沒有一個(gè)能夠讀寫B(tài)uffer類型,所以NIO中提供了Channel類來讀寫B(tài)uffer。通道能夠覺得是一種連接,能夠是到特定設(shè)備,程序或者是網(wǎng)絡(luò)的連接。通道的類等級結(jié)構(gòu)圖例如以下
圖三
圖中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分別用于讀寫。
GatheringByteChannel能夠從使用一次將多個(gè)Buffer中的數(shù)據(jù)寫入通道,相反的,ScatteringByteChannel則能夠一次將數(shù)據(jù)從通道讀入多個(gè)Buffer中。你還能夠設(shè)置通道使其為堵塞或非堵塞I/O操作服務(wù)。
為了使通道可以同傳統(tǒng)I/O類相容,Channel類提供了靜態(tài)方法創(chuàng)建Stream或Reader
4. Selector
在過去的堵塞I/O中,我們一般知道什么時(shí)候能夠向stream中讀或?qū)懀捎诜椒ㄕ{(diào)用直到stream準(zhǔn)備好時(shí)返回。可是使用非堵塞通道,我們須要一些方法來知道什么時(shí)候通道準(zhǔn)備好了。在NIO包中,設(shè)計(jì)Selector就是為了這個(gè)目的。SelectableChannel能夠注冊特定的事件,而不是在事件發(fā)生時(shí)通知應(yīng)用,通道跟蹤事件。然后,當(dāng)應(yīng)用調(diào)用Selector上的隨意一個(gè)selection方法時(shí),它查看注冊了的通道看是否有不論什么感興趣的事件發(fā)生。圖四是selector和兩個(gè)已注冊的通道的樣例
圖四
并非全部的通道都支持全部的操作。SelectionKey類定義了全部可能的操作位,將要用兩次。首先,當(dāng)應(yīng)用調(diào)用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注冊通道時(shí),它將所需操作作為第二個(gè)參數(shù)傳遞到方法中。然后,一旦SelectionKey被選中了,SelectionKey的readyOps()方法返回全部通道支持操作的數(shù)位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每一個(gè)通道同意的操作。注冊通道不支持的操作將引發(fā)IllegalArgumentException異常。下表列出了SelectableChannel子類所支持的操作。
ServerSocketChannel OP_ACCEPT
SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE
DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE
Pipe.SourceChannel OP_READ
Pipe.SinkChannel OP_WRITE
四. 舉例說明
1. 簡單網(wǎng)頁內(nèi)容下載
這個(gè)樣例很easy,類SocketChannelReader使用SocketChannel來下載特定網(wǎng)頁的HTML內(nèi)容。
package examples.nio; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; public class SocketChannelReader{ private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//創(chuàng)建UTF-8字符集 private SocketChannel channel; public void getHTMLContent(){ try{ connect(); sendRequest(); readResponse(); }catch(IOException e){ System.err.println(e.toString()); }finally{ if(channel!=null){ try{ channel.close(); }catch(IOException e){} } } } private void connect()throws IOException{//連接到CSDN InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/); channel=SocketChannel.open(socketAddress); //使用工廠方法open創(chuàng)建一個(gè)channel并將它連接到指定地址上 //相當(dāng)與SocketChannel.open().connect(socketAddress);調(diào)用 } private void sendRequest()throws IOException{ channel.write(charset.encode("GET " +"/document" +"\r\n\r\n"));//發(fā)送GET請求到CSDN的文檔中心 //使用channel.write方法,它須要CharByte類型的參數(shù),使用 //Charset.encode(String)方法轉(zhuǎn)換字符串。 } private void readResponse()throws IOException{//讀取應(yīng)答 ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//創(chuàng)建1024字節(jié)的緩沖 while(channel.read(buffer)!=-1){ buffer.flip();//flip方法在讀緩沖區(qū)字節(jié)操作之前調(diào)用。 System.out.println(charset.decode(buffer)); //使用Charset.decode方法將字節(jié)轉(zhuǎn)換為字符串 buffer.clear();//清空緩沖 } } public static void main(String [] args){ new SocketChannelReader().getHTMLContent(); } |
2. 簡單的加法server和客戶機(jī)
server代碼
package examples.nio; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; /** * SumServer.java * * * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumServer { private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); private SocketChannel _clientChannel=null; private ServerSocketChannel _serverChannel=null; public void start(){ try{ openChannel(); waitForConnection(); }catch(IOException e){ System.err.println(e.toString()); } } private void openChannel()throws IOException{ _serverChannel=ServerSocketChannel.open(); _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000)); System.out.println("server通道已經(jīng)打開"); } private void waitForConnection()throws IOException{ while(true){ _clientChannel=_serverChannel.accept(); if(_clientChannel!=null){ System.out.println("新的連接增加"); processRequest(); _clientChannel.close(); } } } private void processRequest()throws IOException{ _buffer.clear(); _clientChannel.read(_buffer); int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1); _buffer.flip(); _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,result); _clientChannel.write(_buffer); } public static void main(String [] args){ new SumServer().start(); } } // SumServer 客戶代碼 package examples.nio; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; /** * SumClient.java * * * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumClient { private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer; private SocketChannel _channel; public SumClient() { _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); } // SumClient constructor public int getSum(int first,int second){ int result=0; try{ _channel=connect(); sendSumRequest(first,second); result=receiveResponse(); }catch(IOException e){System.err.println(e.toString()); }finally{ if(_channel!=null){ try{ _channel.close(); }catch(IOException e){} } } return result; } private SocketChannel connect()throws IOException{ InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("localhost",10000); return SocketChannel.open(socketAddress); } private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{ _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,first); _intBuffer.put(1,second); _channel.write(_buffer); System.out.println("發(fā)送加法請求 "+first+"+"+second); } private int receiveResponse()throws IOException{ _buffer.clear(); _channel.read(_buffer); return _intBuffer.get(0); } public static void main(String [] args){ SumClient sumClient=new SumClient(); System.out.println("加法結(jié)果為 :"+sumClient.getSum(100,324)); } } // SumClient |
3. 非堵塞的加法server
首先在openChannel方法中增加語句
_serverChannel.configureBlocking(false);//設(shè)置成為非堵塞模式
重寫WaitForConnection方法的代碼例如以下,使用非堵塞方式
private void waitForConnection()throws IOException{ Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector(); /*在server套接字上注冊selector并設(shè)置為接受accept方法的通知。 這就告訴Selector,套接字想要在accept操作發(fā)生時(shí)被放在ready表 上,因此,同意多元非堵塞I/O發(fā)生。*/ SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT); int keysAdded = 0; /*select方法在不論什么上面注冊了的操作發(fā)生時(shí)返回*/ while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) { // 某客戶已經(jīng)準(zhǔn)備好能夠進(jìn)行I/O操作了,獲取其ready鍵集合 Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys(); Iterator i = readyKeys.iterator(); // 遍歷ready鍵集合,并處理加法請求 while (i.hasNext()) { SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next(); i.remove(); ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel)sk.channel(); // 接受加法請求并處理它 _clientSocket = nextReady.accept().socket(); processRequest(); _clientSocket.close(); } } } |
posted on 2014-10-30 11:54 順其自然EVO 閱讀(645) 評論(0) 編輯 收藏 所屬分類: 測試學(xué)習(xí)專欄
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