• NIO


    NIO

    回顾:

    1 计算机网络:目的:信息传递,资源共享
    
    2 osi参考模型    物理层   数据链路层    网络层   传输层    会话层    表示层   应用层
    
    3 Tcp Ip参考模型       网络层    互联网层   传输层    应用层
    
    4 协议   TCP 传输控制协议     UDP  用户数据包协议   IP  网际协议
    
    5 Ip地址     ipv4     32位       ipv6 128位
    
    	A      1-126
    
    	B      128-191
    
    	C      192-223
    
    	D
    
    	E
    
    6 InetAddress  表示ip地址
    
    7 TCP的socket编程
    	TCP协议的特点:1 安全可靠
    				 2 面向连接
                      3效率相对低
                      4传输大小无限制
    
    	ServerSocket  服务器套接字
    		服务端步骤:
    			1 创建服务器套接字 ServerSocket  listenner=new ServerSocket(1111);
    			2 侦听(接收),listenner.accept(); 如果有客户端连接返回Socket,阻塞
    			3 获取输入或输出流
    			4 处理数据
    			5 关闭 流 socket  listenner
    
    	Socket   客户端套接字
    		客户端步骤:
    			1 创建Socket 客户端套接字 指定服务端的ip和端口号 自动连接
    			2 获取输入或输出流
    			3 处理数据
    			4 关闭 流 socket
    
    8 UDP
    	UDP特点:1 不安全
    			2 无连接
    			3 效率高
    			4 传输大小有限制,   最大64kb
    	DatagramSocket :相当于快递点,java 套接字 负责发送 接收 数据报包 
    
    	DatagramPacket:相当于包裹,数据报包,发送包(指定地址和端口)   接收包(byte[] )
    

    今天任务

    1.NIO简介
    2.Buffer的使用
    3.FileChannel的使用
    4.Selector和非阻塞网络编程
    

    教学目标

    1.了解NIO
    2.掌握Buffer的使用
    3.掌握FileChannel的使用
    4.了解Selector和非阻塞网络编程
    

    第一节:NIO简介

    ​ java.nio全称Java non-blocking IO或Java New IO,是从jdk1.4 开始引入的一套新的IO api(New IO) ,为所有的原始类型(boolean类型除外)提供缓存支持的数据容器,使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

    ​ IO操作的模式:

    ​ PIO(Programing IO): 所有的IO操作由CPU处理,CPU占用率比较高 。

    ​ DMA(Direct Memory Access):CPU把IO操作控制权交给DMA控制器,只能以固定的方式读写,CPU空闲做其他工作。

    ​ 通道方式(Channel):能执行有限通道指令的IO控制器,代替CPU管理控制外设。通道有自己的指令系统,是一个协处理器,具有更强的独立处理数据输入和输出的能力。

    Java NIO 由以下几个核心部分组成:

    • Buffer:缓冲区
    • Channel:通道
    • Selector:选择器(轮询器)

    NIO和普通IO的区别

    第二节:Buffer的使用

    ​ Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知,数据是从通道读入缓冲区,从缓冲区写入到通道中的。

    ​ 缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

    Java NIO里关键的Buffer实现:

    • ByteBuffer
    • CharBuffer
    • DoubleBuffer
    • FloatBuffer
    • IntBuffer
    • LongBuffer
    • ShortBuffer
    2.1 Buffer的基本用法

    使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤:

    1. 创建缓冲区,写入数据到Buffer

    2. 调flip()方法

    3. 从Buffer中读取数据

    4. 调用clear()方法或者compact()方法

      当向buffer写入数据时,buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据,需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下,可以读取之前写入到buffer的所有数据。

      一旦读完了所有的数据,就需要清空缓冲区,让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区:调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处,新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

    案例一:使用ByteBuffer

    public static void main(String[] args) {
    		//1创建缓冲区
    		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    		//2向缓冲区中添加内容
    		buffer.put("helloworld".getBytes());
    		//3切换为读模式
    		buffer.flip();
    		//4获取单个字节
    		//buffer.get();
    		//5获取多个字节
    		byte[] data=new byte[buffer.limit()];
    		buffer.get(data);
    		System.out.println(new String(data));
    		//6清空缓冲区
    		buffer.clear();
    	}
    
    2.2 Buffer的capacity,position和limit

    缓冲区本质上是一块可以写入数据,然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象,并提供了一组方法,用来方便的访问该块内存。

    为了理解Buffer的工作原理,需要熟悉它的三个属性:

    • capacity
    • position
    • limit

    position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式,capacity的含义总是一样的。

    这里有一个关于capacity,position和limit在读写模式中的说明。

    capacity

    作为一个内存块,Buffer有一个固定的大小值,也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long,char等类型。一旦Buffer满了,需要将其清空(通过读数据或者清除数据)才能继续写数据往里写数据。

    position

    当你写数据到Buffer中时,position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后, position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity.

    当读取数据时,也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式,position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。

    limit

    在写模式下,Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下,limit等于Buffer的capacity。

    当切换Buffer到读模式时, limit表示你最多能读到多少数据。因此,当切换Buffer到读模式时,limit会被设置成写模式下的position值。换句话说,你能读到之前写入的所有数据(limit被设置成已写数据的数量,这个值在写模式下就是position)

    Buffer的分配

    要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配1024字节capacity的ByteBuffer的例子。

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//创建间接缓冲区,大小为1024个字节
    ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocateDirect(1024);//直接缓冲区
    

    直接缓冲区和间接缓冲区的区别:

    间接缓冲区:在堆中开辟,易于管理,垃圾回收器可以回收,空间有限,读写文件速度较慢。

    直接缓冲区:不在堆中,物理内存中开辟空间,空间比较大,读写文件速度快,缺点:不受垃圾回收器控制,创建和销毁耗性能。

    向Buffer中写数据

    写数据到Buffer有两种方式:

    • 从Channel写到Buffer。后面案例使用
    • 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

    从Channel写到Buffer的例子

    通过put方法写Buffer的例子:

    buf.put(127);
    

    put方法有很多版本,允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如, 写到一个指定的位置,或者把一个字节数组写入到Buffer。 更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

    flip()方法

    flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0,并将limit设置成之前position的值。

    换句话说,position现在用于标记读的位置,limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

    从Buffer中读取数据

    从Buffer中读取数据有两种方式:

    1. 从Buffer读取数据到Channel。后面案例使用
    2. 使用get()方法从Buffer中读取数据。

    从Buffer读取数据到Channel的例子:

    使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

    byte aByte = buf.get();
    

    get方法有很多版本,允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如,从指定position读取,或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

    rewind()方法

    Buffer.rewind()将position设回0,所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变,仍然表示能从Buffer中读取多少个元素(byte、char等)。

    clear()与compact()方法

    ​ 一旦读完Buffer中的数据,需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

    如果调用的是clear()方法,position将被设回0,limit被设置成 capacity的值。换句话说,Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除,只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

    如果Buffer中有一些未读的数据,调用clear()方法,数据将“被遗忘”,意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过,哪些还没有。

    如果Buffer中仍有未读的数据,且后续还需要这些数据,但是此时想要先写些数据,那么使用compact()方法。

    compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样,设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了,但是不会覆盖未读的数据。

    mark()与reset()方法

    通过调用Buffer.mark()方法,可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如:

    buffer.mark(); //添加标记
    buffer.reset();//恢复到标记位置
    

    第三节:Channel

    ​ 基本上,所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中,也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示:

    JAVA NIO中的一些主要Channel的实现:

    • FileChannel
    • DatagramChannel
    • SocketChannel
    • ServerSocketChannel
    3.1:FileChannel基本使用

    Java NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。

    FileChannel无法设置为非阻塞模式,它总是运行在阻塞模式下。

    3.1.1创建FileChannel

    ​ 在使用FileChannel之前,必须先创建它。创建方式有两种:

    第一种:使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。

    第二种:JDK1.7之后才能使用, FileChannel.open()方法。

    //第一种
    RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
    //第二种
    FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\aaa.txt"),StandardOpenOption.READ);
    

    3.1.2从FileChannel读取数据

    ​ 调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如:

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    int bytesRead = inChannel.read(buf);
    

    首先,分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。

    然后,调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1,表示到了文件末尾。

    3.1.3 向FileChannel写数据

    使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据,该方法的参数是一个Buffer。如:

    String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    buf.clear();
    buf.put(newData.getBytes());
    buf.flip();
    while(buf.hasRemaining()) {
        channel.write(buf);
    }
    

    ​ 注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写完所有字节,因此需要重复调用write()方法,直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。

    3.1.4 关闭FileChannel

    用完FileChannel后必须将其关闭。如:

    channel.close();
    
    3.2:FileChannel操作案例
    3.2.1写入文本文件
    //1创建FileOutputStream
    FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\out.txt");
    //2获取通道
    FileChannel outChannel = fos.getChannel();
    //3创建缓冲区
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    //4向缓冲区中放入数据
    buffer.put("hello world".getBytes());
    //5切换为读模式
    buffer.flip();
    //写入
    outChannel.write(buffer);
    //6关闭
    outChannel.close();
    System.out.println("写入完毕");
    
    3.2.2读取文本文件
    //1创建FileInputStream
    FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\out.txt");
    //2创建通道
    FileChannel inChannel = fis.getChannel();
    //3创建缓冲区
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    int len=inChannel.read(buffer);
    System.out.println(len);
    //4处理数据
    buffer.flip();
    String data=new String(buffer.array(),0,len);
    System.out.println(data);
    
    //5关闭
    inChannel.close();
    
    3.2.3复制图片

    直接缓冲区的使用,可以提高读写的速度。但是直接缓冲区的创建和销毁的开销比较大,一般大文件操作或能显著提高读写性能时使用。

    //1创建通道
    FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:\003.jpg"),StandardOpenOption.READ);
    FileChannel outChannel=FileChannel.open(Paths.get("d:\haha.jpg"),StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
    //2创建直接缓冲区
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    int len=0;
    //3复制
    while((len=inChannel.read(buffer))>0){
      buffer.flip();
      outChannel.write(buffer);
      buffer.clear();
    }
    //4关闭
    inChannel.close();
    outChannel.close();
    System.out.println("复制完毕");
    
    3.2.4使用内存映射文件复制大文件

    内存映射文件也属于直接缓冲区

    //1创建通道
    FileChannel inChannel = new RandomAccessFile("d:\01.wav", "r").getChannel();
    FileChannel outChannel=new RandomAccessFile("d:\02.wav", "rw").getChannel();
    //2使用内存映射缓冲区(直接缓冲区)
    MappedByteBuffer map = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0,inChannel.size());
    outChannel.write(map);
    //3关闭
    inChannel.close();
    outChannel.close();
    System.out.println("复制完毕");
    

    注意:如果文件超过2G,需要分多个文件映射。

    第四节:Selector和非阻塞网络编程

    传统的 网络编程

    ​ TCP ServerSocket Socket (阻塞式)

    ​ UDP DatagramSocket DatagramPacket

    4.1 ServerSocketChannel、SocketChannel实现阻塞式网络编程

    ServerSocketChannel是一个基于通道的socket监听器,等同于ServerSocket类。SocketChannel是一个基于通道的客户端套接字,等同于Socket类。

    实现代码

    public class TcpServer {
    	public static void main(String[] args) throws Exception{
    		//1创建ServerSocketChannel
    		ServerSocketChannel ssc=ServerSocketChannel.open();
    		//2绑定地址
    		ssc.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 1234));
    		//3监听
    		System.out.println("服务器已启动");
    		SocketChannel sc=ssc.accept();
    		//4创建缓冲区
    		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    		int len=sc.read(buffer);
    		buffer.flip();
    		System.out.println(buffer.array().length);
    		String string=new String(buffer.array(),0, len);
    		System.out.println(string);
    		//5关闭
    		sc.close();
    	}
    }
    
    public class TcpClient {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		//1创建SocketChannel
    		SocketChannel sc=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 1234));
    		//2创建缓冲区
    		String string="你还好吗?";
    		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    		buffer.put(string.getBytes());
    		buffer.flip();
    		//3发送数据
    		sc.write(buffer);
    		//4关闭
    		sc.close();
    	}
    }
    
    4.2. Selector简介

    ​ 要使用Selector,得向Selector注册Channel,然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新连接进来,数据接收等。

    ​ 选择器提供选择执行已经就绪的任务的能力.从底层来看,Selector提供了询问通道是否已经准备好执行每个I/O操作的能力。Selector 允许单线程处理多个Channel。仅用单个线程来处理多个Channels的好处是,只需要更少的线程来处理通道。事实上,可以只用一个线程处理所有的通道,这样会大量的减少线程之间上下文切换的开销。

    选择器(Selector):Selector选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。通道是和选择器一起被注册的,并且使用选择器来更新通道的就绪状态。

    可选择通道(SelectableChannel):SelectableChannel这个抽象类提供了实现通道的可选择性所需要的公共方法。它是所有支持就绪检查的通道类的父类。因为FileChannel类没有继承SelectableChannel因此是不是可选通道,而所有socket通道都是可选择的,SocketChannel和ServerSocketChannel是SelectableChannel的子类。

    选择键(SelectionKey):选择键封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系。选择键对象被SelectableChannel.register()返回并提供一个表示这种注册关系的标记。选择键包含了两个比特集(以整数的形式进行编码),选择键支持四种操作类型:

    • Connect 连接
    • Accept 接受请求
    • Read 读
    • Write 写

    Java中定义了四个常量来表示这四种操作类型:

    SelectionKey.OP_CONNECT
    SelectionKey.OP_ACCEPT
    SelectionKey.OP_READ
    SelectionKey.OP_WRITE

    4.3.实现非阻塞式网络通信
    public class Server {
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		//1创建ServerSocketChannel
    		ServerSocketChannel ssc=ServerSocketChannel.open();
    		//2设置为非阻塞式
    		ssc.configureBlocking(false);
    		//3绑定地址
    		ssc.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999));
    		//4创建选择器
    		Selector selector=Selector.open();
    		//5注册选择器
    		ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
    		while(selector.select()>0){
    			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
    			while(it.hasNext()){
    				SelectionKey selectionKey = it.next();
    				if(selectionKey.isAcceptable()){
    					SocketChannel socketChannel=ssc.accept();
    					socketChannel.configureBlocking(false);
    					socketChannel.register(selector, selectionKey.OP_READ);
    				}else if(selectionKey.isReadable()){
    					//获取SocketChannel
    					SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
    					//创建缓冲区
    					ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    					int len = 0;
    					while((len = channel.read(buffer)) > 0 ){
    						buffer.flip();
    						System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
    						buffer.clear();
    					}
                      	  if(len==-1){//客户端已经退出
                              channel.close();
                          }
    				}
    				it.remove();
    			}
    		}
    	}
    }
    
    public class Client {
    	public static void main(String[] args) throws Exception{
    		//1创建SocketChannel
    		SocketChannel sc=SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
    		//2设置为非阻塞式
    		sc.configureBlocking(false);
    		//3创建缓冲区
    		ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    		Scanner input=new Scanner(System.in);
    		while(input.hasNext()){
    			String s=input.nextLine();
    			buffer.put(s.getBytes());
    			buffer.flip();
    			sc.write(buffer);
    			buffer.clear();
              	 if(s.equals("886")){
    				break;
    			}
    		}
    		//4关闭
    		sc.close();
    	}
    }
    

    总结

    1 NIO简介 Java Non-blocking IO New IO

    2 和传统IO

    ​ (1) 面向流 ,面向缓冲区

    ​ (2) 阻塞, 非阻塞

    ​ (3) 无 选择器(selector)

    3 NIO

    ​ Buffer

    ​ Channel

    ​ Selector

    4 Buffer

    ​ ByteBuffer

    ​ CharBuffer

    ​ ShortBuffer

    ​ ....

    ​ 重要属性

    ​ 0<=mark<=postion<=limit<=capacitiy

    ​ put();//放入数据

    ​ get();//获取数据

    ​ flip();//切换为读模式

    ​ rewind()//可以重复

    ​ mark();//做标记

    ​ reset();//返回上一个标记

    ​ clear()//清空,

    ​ compact();//清空,会保留未读取的数据

    ​ 间接缓冲区: 堆中,空间不大,速度慢,jvm可以回收

    ​ 直接缓冲区: 物理内存中,空间大,速度块,jvm不能回收。

    5 Channel

    ​ FileChannel

    ​ 5.1创建通道

    ​ InputStream OutputStream RandomAcceFile的getChannle();

    ​ FileChannel channel=FileChannel.open();

    ​ channel.read();

    ​ channel.write();

    6 Selector:选择器(轮询器)(理解就可以)

    课前默写

    1 .使用NIO读取文件的步骤

    2 .使用NIO写入文件的步骤

    作业

    1 .使用NIO复制文件

    面试题

    1.简述常见的NIO类及作用

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