Java NIO入门

Java NIO简介

Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，

但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

Java NIO与IO的主要区别

IO：面向流（Stream Oriented）、阻塞IO（Blocking IO）

NIO：面向缓冲区（Buffer Oriented）、非阻塞IO（Non Blocking IO）、选择器（Selectors）

通道（Channel）与缓冲区（Buffer）

Java NIO系统的核心在于：通道和缓冲区。通道表示打开到IO设备（如：文件、套接字）的连接。若需要使用NIO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

一句话：channel负责传输，buffer负责存储

缓冲区介绍

缓冲区（buffer）：一个用于特定基本数据类型的容器。由java.nio包定义的，所有缓冲区都是Buffer抽象类的字类。

Java NIO中的Buffer主要用于与NIO通道进行交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。

Buffer就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同（布尔类型除外），有以下Buffer常用子类：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

上述Buffer类他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自管理的数据类型不同而已。均通过如下方法获取一个Buffer对象：

static XxxxBuffer allocate(int capacity)：创建一个容量为capacity的XxxxBuffer对象

缓冲区基本属性

• **容量（capacity）：**表示Buffer最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。
• **限制（limit）：**第一个不应该读取或写入的数据的索引，也即位于limit后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。
• **位置（position）：**下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。
• **标记（mark）与重置（reset）：**标记是一个索引，通过Buffer中的mark()方法指定Buffer中一个特定的position，之后可以通过调用reset()方法恢复到这个position。

标记、位置、限制、容量遵守以下不变式：capacity>=limit>=position>=mark>=0

• 初始化

• 存数据

• 切换读取数据模式，读取position到limit之间的数据

Buffer常用方法

缓冲区数据操作

Buffer所有子类提供了两个用于数据操作的方法：get()与put()方法

获取buffer中的数据：

1. get()：读取单个字节
2. get(byte[] data)：批量读取多个字节到data数组中
3. get(int index)：读取指定索引位置的字节（不会移动position的位置，也即不会改变position得值）

放入数据到Buffer中

put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置

put(byte[] data)：将data中的字节写入缓冲区的当前位置

put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引所在位置（不会移动position的位置，也即不会改变position得值）

直接缓冲区与非直接缓冲区

1. 字节缓冲区分为直接的和非直接的。若是直接字节缓冲区，Java虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机I/O操作。也即是说在每一次调用基础操作系统的一个本机I/O操作之前（或之后），Java虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区（或从中间缓冲区中复制内容）。~~比喻：其实就是减少了中间商赚差价，利润更高（效率更高）。
2. 直接字节缓冲区可以通过调用此类的 ****allocateDirect()****工厂方法来创建。此方法返回缓冲区进行分配和取消，分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的，本机 I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好处时分配它们。
3. 直接字节缓冲区还可以通过FileChannel的****map()方法将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回MappedByteBuffer 。Java平台的实现有助于通过 JNI 从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。
4. **字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 ****isDirect()**方法来确定。提供此方法是为了能够在性能关键型代码中执行显式缓冲区管理。

通道（Channel）

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与Buffer 进行交互。

最初是cpu直接和IO接口交互，如下图：

后来换成DMA和IO接口交互，如下图：

最后变成通道channel和IO接口交互如下图：

通道（Channel）主要实现类

Java为Channel提供的主要实现类如下：

• **FileChannel：**用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
• **DatagramChannel：**通过 UDP 读写网络中的数据通道。
• **SocketChannel：**通过TCP读写网络中的数据通道。
• **ServerSocketChannel：**可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

获取通道（Channel）

获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用

getChannel() 方法。支持通道的类如下：

• FileInputStream
• FileOutputStream
• RandomAccessFile
• DatagramSocket
• Socket
• ServerSocket

获取通道的其他方式是使用 ****Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。

或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。

通道的数据传输

将Buffer中的数据写入Channel中

例如：

//将Buffer中的数据写入Channel中
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

从Channel中读取数据到Buffer中

例如：

//从Channel中读取数据到BUffer中
int bytesRed = inChannel.read(buf);

分散（Scatter）和聚集（Gather）

**分散读取（Scatter Reads）**是指从Channel中读取的数据”分散“到多个Buffer中。

注意：按照缓冲区的顺序，从Channel中读取的数据依次将Buffer填满。

**聚集写入（Gather writes）**是指将多个Buffer中的数据“聚集”到Channel中。

注意：按照缓冲区的顺序，写入position和limit之间的数据到Channel中。

transferFrom()和transferTo()

**transferFrom()：**将数据从源通道传输到其他Channel中，如下：

//定义源通道数据来源
RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("data/fromFile.txt","rw");
//获取通道1（源通道）
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("data/toFile.txt","rw");
//获取通道2（目标通道）
FileChannel toChannel = fromFile.getChannel();

//定义传输位置
long position = 0L;
//最多传输的字节数=源通道的数据大小
long count = fromChannel.size();

//将数据从源通道传输到目标通道
toChannel.transferFrom(fromChannel,count,position);

**transferTo()：**将数据从源通道传输到其他Channel中，如下：

//定义源通道数据来源
RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("data/fromFile.txt","rw");
//获取通道1（源通道）
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("data/toFile.txt","rw");
//获取通道2（目标通道）
FileChannel toChannel = fromFile.getChannel();

//定义传输位置
long position = 0L;
//最多传输的字节数=源通道的数据大小
long count = fromChannel.size();

//将数据从源通道传输到目标通道
fromChannel.transferTo(position,count,toChannel);

FileChannel的常用方法

NIO的非阻塞式网络通信

阻塞与非阻塞

• 传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或写入，该线程在此期间不能执行其他任务。因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理，当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。
• Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此，NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器端的所有客户端。

选择器

• 选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector 可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。
• SelectableChannle 的结构如下图：!

选择器（Selector）的应用

• 创建 Selector ：通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector。

//创建选择器
Selector selector = Selector.open();

• 向选择器注册通道：SelectableChannel.register(Selector sel, int ops)

//创建一个Socket套接字
Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"),9898);
//获取SocketChannel
SocketChannel channel = socket.getChannel();
//创建选择器
Selector selector = Selector.open();
//将SocketChannel切换到非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//向选择器注册通道
SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

• 当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。

可以监听的事件类型（可使用 SelectionKey 的四个常量表示）：

读 : SelectionKey.OP_READ （1）

写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）

连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）

接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）

• 若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符（“|”）连接。如下：

//注册“监听事件”
int interestSet = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey

SelectionKey：表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。

Selector常用方法

SocketChannel

1、SocketChannel：Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。

2、操作步骤：

** **打开SocketChannel

** **读写数据

** **关闭SocketChannel

3、Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中的ServerSocket一样。

DatagramChannel

1、DatagramChannel：Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。

2、操作步骤：

** 打开 DatagramChannel**

** 接收/发送数据**

管道（Pipe）

Java NIO管道是2个线程之前的单向数据连接。

Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会倍写入到sink通道，从source通道读取。

//向管道写数据
@Test
public void test1() throws IOException{
    String str = "测试数据";
    //创建管道
    Pipe pipe = Pipe.open();
    //向管道写入
    Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
    //通过SinkChannel的write()方法写入数据
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
    buf.clear();
    buf.put(str.getBytes);
    buf.flip;
    while(buf.hasRemaining()){
        sinkChannel.write(buf);
    }
}

//读取管道的数据，需要访问source通道
//从管道读取数据
Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();

//调用source通道的read()方法来读取数据
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
sourceChannel.read(buf);

NIO.2 – Path、Paths、Files

**NIO.2：**随着 JDK 7 的发布，Java对NIO进行了极大的扩展，增强了对文件处理和文件系统特性的支持，以至于我们称他们为 NIO.2。因NIO 提供的一些功能，NIO已经成为文件处理中越来越重要的部分。

java.nio.file.Path

** **Path接口代表一个平台无关的平台路径，描述了目录结构中文件的位置

Paths 提供的 get() 方法用来获取 Path 对象

** **Path get(String first, String … more) : 用于将多个字符串串连成路径。

Path的常用方法

** **boolean endsWith(String path)：判断是否以path路径结束

** **boolean startsWith(String path)：判断是否以path路径开始

** **boolean isAbsolute()：判断是否是绝对路径

** **Path getFileName()：返回与调用Path对象关联的文件名

** **Path getName(int index)：返回指定索引位置index的路径名称

** **int getNameCount()：返回path根目录后面元素的数量

** **Path getParent()：返回Path对象包含整个路径，不包含Path对象指定的文件路径

** **Path getRoot()：返回调用Path对象的根路径

** **Path resolve(Path path)：将相对路径解析为绝对路径

** **Path toAbsolutePath()：作为绝对路径返回调用Path对象

** **String toString()：返回调用Path对象的字符串表示形式

Files

** **java.nio.file.Files用于操作文件或目录的工具类

Files常用方法

** **Path copy(Path src, Path dest, CopyOption ...how)：文件的复制

** **Path createDirectory(Path path, FileAttribute<?> ...attr)：创建一个目录

** **Path createFile(Path path, FileAttribute<?> ...attr)：创建一个文件

** **void delete(Path path)：删除一个文件

** **Path move(Path src, Path dest, CopyOption ...how)：将src移动到dest位置

** **long size(Path path)：返回Path指定文件的大小

** **用于判断：

** **boolean exists(Path path, LinkOption ...opts)：判断文件是否存在

** **boolean isDirectory(Path path, LinkOption ...opts)：判断是否是目录

** **boolean isExecutable(Path path)：判断是否是可行性文件

** **boolean isHidden(Path path)：判断是否是隐藏文件

** **boolean isReadable(Path path)：判断文件是否可读

** **boolean isWritable(Path path)：判断文件是否可写

** **boolean notExists(Path path, LinkOption ...opts)：判断文件是否不存在

** public static A readAttributes(Path path, Class** type, LinkOption ...options)：获取与path指定的文件相关联的属性

try(需要关闭的资源声明){

//可能发生异常的语句

}catch(异常类型 变量名){

//异常的处理语句

}

……

finally{

//一定执行的语句

}

---

标题：Java NIO入门
作者：JayGao
地址：https://www.jaygao.top/articles/2024/01/31/1706680591961.html
版权：版权JayGao所有，如需转载，请注明出处
捐赠：