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          blog已經(jīng)轉(zhuǎn)移至github,大家請?jiān)L問 http://qaseven.github.io/

          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

          <2014年10月>
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          導(dǎo)航

          統(tǒng)計(jì)

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