Java NIO与IO的差别和比较

Ipo ·
更新时间:2024-11-01
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  导读   J2SE1.4以上版本号中公布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简介NIO库提供的一些新特性:非堵塞I/O,字符转换,缓冲以及通道。   一. 介绍NIO   NIO包(java.nio.*)引入了四个关键的抽象数据类型,它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。   1. Buffer:它是包括数据且用于读写的线形表结构。当中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。   2. Charset:它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。   3. Channels:包括socket,file和pipe三种管道,它实际上是双向交流的通道。   4. Selector:它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中(它能够被看成是Unix中select()函数或Win32中WaitForSingleEvent()函数的面向对象版本号)。   二. 回想传统   在介绍NIO之前,有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例,传统方式须要监听一个ServerSocket,接受请求的连接为其提供服务(服务通常包含了处理请求并发送响应)图一是server的生命周期图,当中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O堵塞。

图一

  能够分析创建server的每一个详细步骤。首先创建ServerSocket   ServerSocket server=new ServerSocket(10000);   然后接受新的连接请求   Socket newConnection=server.accept();   对于accept方法的调用将造成堵塞,直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受,server能够读客户socket中的请求。   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);   }   这种操作有两个问题,首先BufferedReader类的readLine()方法在其缓冲区未满时会造成线程堵塞,仅仅有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字,方法才会返回。其次,它回产生大量的垃圾,BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据,可是相同创建了一些字符串存储这些数据。尽管BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题,可是全部的String非常快变成了垃圾须要回收。   相同的问题在发送响应代码中也存在   Response response = request.generateResponse();   OutputStream out = newConnection.getOutputStream();   InputStream in = response.getInputStream();   int ch;   while(-1 != (ch = in.read())) {   out.write(ch);   }   newConnection.close();   类似的,读写操作被堵塞并且向流中一次写入一个字符会造成效率低下,所以应该使用缓冲区,可是一旦使用缓冲,流又会产生很多其它的垃圾。传统的解决方法   通常在Java中处理堵塞I/O要用到线程(大量的线程)。通常是实现一个线程池用来处理请求,如图二

图二

  线程使得server能够处理多个连接,可是它们也相同引发了很多问题。每一个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间,耗费非常大,并且非常多时间是浪费在堵塞的I/O操作上,没有有效的利用CPU。   三. 新I/O   1. Buffer   传统的I/O不断的浪费对象资源(一般是String)。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的,有序的数据集合,它依据其类别仅仅包括的数据类型。   java.nio.Buffer 类描写叙述   java.nio.ByteBuffer 包括字节类型。 能够从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写   java.nio.MappedByteBuffer 包括字节类型,直接在内存某一区域映射   java.nio.CharBuffer 包括字符类型,不能写入通道   java.nio.DoubleBuffer 包括double类型,不能写入通道   java.nio.FloatBuffer 包括float类型   java.nio.IntBuffer 包括int类型   java.nio.LongBuffer 包括long类型   java.nio.ShortBuffer 包括short类型   能够通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的,你能够创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接(direct)buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地?问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组?问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲比如使用不论什么的wrap方法(如ByteBuffer.wrap(byte[]))在Java数组基础上创建buffer。   2. 字符编码   向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题:字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题,可是并没有处理字符转换。其实,ByteBuffer没有提供方法读写String。   Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。   3. 通道(Channel)   你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型,所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道能够觉得是一种连接,能够是到特定设备,程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图例如以下

图三

  图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。   GatheringByteChannel能够从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道,相反的,ScatteringByteChannel则能够一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还能够设置通道使其为堵塞或非堵塞I/O操作服务。   为了使通道可以同传统I/O类相容,Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader   4. Selector   在过去的堵塞I/O中,我们一般知道什么时候能够向stream中读或写,由于方法调用直到stream准备好时返回。可是使用非堵塞通道,我们须要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中,设计Selector是为了这个目的。SelectableChannel能够注?特定的事件,而不是在事件发生时通知应用,通道跟踪事件。然后,当应用调用Selector上的随意一个selection方法时,它查看注?了的通道看是否有不论什么感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注?的通道的样例

图四

  并非全部的通道都支持全部的操作。SelectionKey类定义了全部可能的操作位,将要用两次。首先,当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注?通道时,它将所需操作作为第二个?数传递到方法中。然后,一旦SelectionKey被选中了,SelectionKey的readyOps()方法返回全部通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每一个通道同意的操作。注?通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。   ServerSocketChannel OP_ACCEPT   SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE   DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE   Pipe.SourceChannel OP_READ   Pipe.SinkChannel OP_WRITE   四. 举例说明   1. 简单网页内容下载   这个样例很easy,类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。 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");//创建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{//连接到CSDN InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/); channel=SocketChannel.open(socketAddress); //使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上 //相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用 } private void sendRequest()throws IOException{ channel.write(charset.encode("GET " +"/document" +" "));//发送GET请求到CSDN的文档中心 //使用channel.write方法,它须要CharByte类型的?数,使用 //Charset.encode(String)方法转换字符串。 } private void readResponse()throws IOException{//读取应答 ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲 while(channel.read(buffer)!=-1){ buffer.flip();//flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。 System.out.println(charset.decode(buffer)); //使用Charset.decode方法将字节转换为字符串 buffer.clear();//清空缓冲 } } public static void main(String [] args){ new SocketChannelReader().getHTMLContent(); }2. 简单的加法server和客户机   server代码 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通道已经打开"); } private void waitForConnection()throws IOException{ while(true){ _clientChannel=_serverChannel.accept(); if(_clientChannel!=null){ System.out.println("新的连接增加"); 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   客户代码 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("发送加法请求 "+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("加法结果为 :"+sumClient.getSum(100,324)); } } // SumClient   3. 非堵塞的加法server   首先在openChannel方法中增加语句   _serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非堵塞模式   重写WaitForConnection方法的代码例如以下,使用非堵塞方式 private void waitForConnection()throws IOException{ Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector(); /*在server套接字上注?selector并设置为接受accept方法的通知。 这告诉Selector,套接字想要在accept操作发生时被放在ready表 上,因此,同意多元非堵塞I/O发生。*/ SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT); int keysAdded = 0; /*select方法在不论什么上面注?了的操作发生时返回*/ while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) { // 某客户已经准备好能够进行I/O操作了,获取其ready键集合 Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys(); Iterator i = readyKeys.iterator(); // 遍历ready键集合,并处理加法请求 while (i.hasNext()) { SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next(); i.remove(); ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel)sk.channel(); // 接受加法请求并处理它 _clientSocket = nextReady.accept().socket(); processRequest(); _clientSocket.close(); } } }



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