Java NIO
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18d9db85c4
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README.md
14
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@ -34,19 +34,19 @@
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JConsole、VisualVM 、监控本地进程、监控远程进程
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JConsole、VisualVM 、监控本地进程、监控远程进程
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7. IO、NIO、AIO
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7. [Java NIO 核心组件详解](notes/Java_NIO.md)
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8. Socket 网络编程系列
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缓冲区 Buffer、通道 Channel、选择器 Selector、实现多人聊天室
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9. 高性能网络框架 Netty
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8. 高性能网络框架 Netty
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10. Java 集合类源码解析
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9. [Tomcat 架构解析](notes/Tomcat_架构解析.md)
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11. [Tomcat 架构解析](notes/Tomcat_架构解析.md)
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核心组件、连接器、多层容器、请求处理流程、程序启动过程、类加载器
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核心组件、连接器、多层容器、请求处理流程、程序启动过程、类加载器
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12. 函数式编程
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10. Java 集合类源码解析
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11. 函数式编程
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@ -1,18 +1,95 @@
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## 一、Buffer
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# Java NIO
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### 1.1 缓冲区属性
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<nav>
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<a href="#一简介">一、简介</a><br/>
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<a href="#11-面向缓冲">1.1 面向缓冲</a><br/>
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<a href="#12-同步非阻塞">1.2 同步非阻塞</a><br/>
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<a href="#13-多路复用">1.3 多路复用</a><br/>
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<a href="#二Buffer">二、Buffer</a><br/>
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<a href="#21-缓冲区属性">2.1 缓冲区属性</a><br/>
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<a href="#22-创建缓冲区">2.2 创建缓冲区</a><br/>
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<a href="#23-操作缓冲区">2.3 操作缓冲区</a><br/>
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<a href="#24-复制缓冲区">2.4 复制缓冲区</a><br/>
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<a href="#25-直接缓冲区">2.5 直接缓冲区</a><br/>
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<a href="#三Channel">三、Channel</a><br/>
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<a href="#31-通道基础">3.1 通道基础</a><br/>
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<a href="#32-文件通道">3.2 文件通道</a><br/>
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<a href="#33-Channel-To-Channel">3.3 Channel To Channel</a><br/>
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<a href="#34-ScatterGather">3.4 Scatter/Gather</a><br/>
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<a href="#35-Pipe">3.5 Pipe</a><br/>
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<a href="#四Selector">四、Selector</a><br/>
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<a href="#41-创建选择器">4.1 创建选择器</a><br/>
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<a href="#42-注册通道">4.2 注册通道</a><br/>
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<a href="#43-select">4.3 select</a><br/>
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<a href="#44-SelectionKey">4.4 SelectionKey</a><br/>
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<a href="#五聊天室实例">五、聊天室实例</a><br/>
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<a href="#51-群聊服务器">5.1 群聊服务器</a><br/>
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<a href="#52-客户端实现">5.2 客户端实现</a><br/>
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</nav>
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## 一、简介
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所有缓冲区都直接或间接继承自 Buffer 抽象类，Buffer 中定义了缓冲区的四个基本属性：
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Java NIO 是 JDK 1.4 中引入的新的 IO 方式，它主要包含 Buffer、Channel、Selector 这三个核心的组件，它与传统 IO 的区别如下：
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<table>
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<tr>
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<th>NIO</th>
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<th>IO</th>
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</tr>
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<tr>
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<td>面向缓冲</td>
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<td>面向流</td>
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</tr>
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<tr>
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<td>同步非阻塞</td>
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<td>同步阻塞</td>
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</tr>
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<tr>
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<td>多路复用（选择器）</td>
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<td>无</td>
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</tr>
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</table>
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### 1.1 面向缓冲
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传统的 IO 是面向流的，传统 IO 每次从流中读取一个或者多个字节，直至读取完所有的字节。而 NIO 是面向缓冲区的，所有的读写操作都需要通过 Buffer 来完成，数据会被先写入 Buffer 中，然后再进行处理，Buffer 提供了多种方法用于操纵其中的数据，因此其在操作上更加灵活，读取速度也更加快。
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### 1.2 同步非阻塞
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传统 IO 的流都是单向的，因此它们需要分为 Input Stream 和 Output Stream。而 NIO 中的 Channel 则是双向的，数据可以从 Channel 读到 Buffer 中，也可以从 Buffer 写到 Channel：
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_channel_buffer.png"/> </div>
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> 注意：从 Channel 写入到 Buffer 执行的是 read 方法，而从 Buffer 写出到 Channel 执行的是 write 方法。
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Channel 可以设置为非阻塞模式，此时当 Channel 从 Buffer 中读取数据时，如果有待读取的数据则返回该数据；如果没有待读取的数据，对应的方法也不会阻塞，而是直接返回。
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### 1.3 多路复用
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Java NIO 通过 Reactor 模型实现了 IO 的多路复用，可以在一个线程上通过一个选择（Selector）使用轮询的方式去监听多个通道 Channel 上注册的事件，从而在一个线程上就能实现对多个 Channel 的处理：
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_selector.png"/> </div>
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## 二、Buffer
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### 2.1 缓冲区属性
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_buffer.png"/> </div>
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所有缓冲区（ByteBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、DoubleBuffer、ShortBuffer、LongBuffer、CharBuffer、MappedByteBuffer）都直接或间接继承自 Buffer 抽象类，Buffer 中定义了缓冲区的四个基本属性：
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```java
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```java
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public abstract class Buffer {
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public abstract class Buffer {
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private int mark = -1;
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private int position = 0;
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private int limit;
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private int capacity;
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private int capacity;
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private int limit;
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private int position = 0;
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private int mark = -1;
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...
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...
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}
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}
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```
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```
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@ -22,7 +99,7 @@ public abstract class Buffer {
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+ **位置 (Position)**：下一个待操作元素的索引。
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+ **位置 (Position)**：下一个待操作元素的索引。
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+ **标记 (Mark)**：标记位置。通过 `mark()` 方法可以让 mark 等于当前 position；之后通过 `reset()` 方法可以让 position 恢复到标记位置。
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+ **标记 (Mark)**：标记位置。通过 `mark()` 方法可以让 mark 等于当前 position；之后通过 `reset()` 方法可以让 position 恢复到标记位置。
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### 1.2 创建缓冲区
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### 2.2 创建缓冲区
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通常可以通过以下两种方法来创建缓冲区：
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通常可以通过以下两种方法来创建缓冲区：
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@ -39,7 +116,7 @@ char[] chars = new char[100];
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CharBuffer buffer = CharBuffer.wrap(chars);
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CharBuffer buffer = CharBuffer.wrap(chars);
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实际上缓冲区内部就是通过数组来存储元素，以 CharBuffer 为例，它的内部维持有一个名为 `hb` 的数组，用来存放实际的元素：
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实际上，在缓冲区内部就是通过数组来存储元素，以 CharBuffer 为例，它的内部维持有一个名为 `hb` 的数组，用来存放实际的元素：
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```java
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```java
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public abstract class CharBuffer extends Buffer implements Comparable<CharBuffer>, Appendable, CharSequence, Readable
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public abstract class CharBuffer extends Buffer implements Comparable<CharBuffer>, Appendable, CharSequence, Readable
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@ -51,9 +128,10 @@ public abstract class CharBuffer extends Buffer implements Comparable<CharBuffer
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缓冲区创建完成后，它处于以下初始状态：
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缓冲区创建完成后，它处于以下初始状态：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_init.png"/> </div>
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### 1.3 操作缓冲区
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### 2.3 操作缓冲区
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**1. put()**
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**1. put()**
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@ -72,7 +150,8 @@ put(char[] src, int offset, int length)
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当我们向 Buffer 中添加数据后，position 属性也会随之变动：
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当我们向 Buffer 中添加数据后，position 属性也会随之变动：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_put.png"/> </div>
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**2. get()**
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**2. get()**
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@ -105,31 +184,36 @@ buffer.clear();
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当使用 `filp()` 将 Buffer 由写模式切换到读模式后：position 属性会恢复到初始位置，代表从此处开始读取数据；limit 属性也会随之变动，代表我们所能读取数据的上界：
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当使用 `filp()` 将 Buffer 由写模式切换到读模式后：position 属性会恢复到初始位置，代表从此处开始读取数据；limit 属性也会随之变动，代表我们所能读取数据的上界：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_flip.png"/> </div>
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当我们再通过 `get()` 方法进行读取时，position 属性会随之移动，position 和 limit 之间的数据就是待处理的数据：
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当我们再通过 `get()` 方法进行读取时，position 属性会随之移动，position 和 limit 之间就是待处理的数据：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_get.png"/> </div>
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**4. hasRemaining()**
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**4. hasRemaining()**
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`hasRemaining()` 用于判断当前的 position 是否小于 limit：如果 position 小于 limit，则返回 true，代表仍存在待处理的数据。
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`hasRemaining()` 用于判断当前的 position 是否小于 limit：如果 position 小于 limit，则返回 true，代表仍有待处理的数据。
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**5. clear()**
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**5. clear()**
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将 position 设置为 0，并将 limit 设置为 capacity 的大小，从而让缓冲区恢复到初始状态。此时缓冲区的状态如下：
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`clear()` 并不会真的清除缓冲区中的数据，它只是将 position 设置为 0，并将 limit 设置为 capacity 的大小，从而让缓冲区恢复到初始状态：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_clear.png"/> </div>
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当有新的数据写入时，新的数据会覆盖原有位置上的数据。
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**6. compact()**
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**6. compact()**
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用于压缩缓冲区，即将数组中待处理的数据复制到头部。如下所示，会将未读取的 `LL0` 复制到头部：
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用于压缩缓冲区，即将数组中待处理的数据复制到头部。如下所示，会将未读取的 `LL0` 复制到头部：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_compact.png"/> </div>
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需要注意的是这里执行的是复制操作，而不是移动操作，底层调用的是 `System.arraycopy` 方法，因此原有位置上的数据依然存在。但是由于 position 会移动到未处理数据的下一个位置上，所以不用担心原有位置上的数据会被读取到，原因是你切换到读模式时，原有的 `LO` 数据仍处于 limit 之后：
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需要注意的是这里执行的是复制操作，而不是移动操作，底层调用的是 `System.arraycopy` 方法，因此原有位置上的数据依然存在。但由于 position 会移动到未处理数据的下一个位置上，所以不用担心原有位置上的数据会被读取到，原因是你切换到读模式时，原有的 `LO` 数据仍处于 limit 之后：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_compact_flip.png"/> </div>
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**7. mark()**
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**7. mark()**
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@ -139,7 +223,7 @@ buffer.clear();
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buffer.position(2).mark().position(5).reset().position(); //从位置2移动到位置5，之后又恢复到位置2
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buffer.position(2).mark().position(5).reset().position(); //从位置2移动到位置5，之后又恢复到位置2
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### 1.4 复制缓冲区
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### 2.4 复制缓冲区
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如果想要对一个已有的缓冲区进行复制，可以有以下三种方法：
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如果想要对一个已有的缓冲区进行复制，可以有以下三种方法：
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@ -155,15 +239,17 @@ public abstract CharBuffer slice();
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- 复制缓冲区的 mark、position、limit、capcaity 属性的初始值与复制时原缓冲区的 mark、position、limit、capcaity 的值相同，但这些属性与原缓冲区的属性相互独立，创建后就不再受原有缓冲区的影响；
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- 复制缓冲区的 mark、position、limit、capcaity 属性的初始值与复制时原缓冲区的 mark、position、limit、capcaity 的值相同，但这些属性与原缓冲区的属性相互独立，创建后就不再受原有缓冲区的影响；
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- 如果原缓冲区是只读缓冲区或直接缓冲区，则复制缓冲区也将继承这些属性。
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- 如果原缓冲区是只读缓冲区或直接缓冲区，则复制缓冲区也将继承这些属性。
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_duplicate.png"/> </div>
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`asReadOnlyBuffer()` 与 `duplicate()` 类似，但创建的复制缓冲区为只读缓冲区。
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`asReadOnlyBuffer()` 与 `duplicate()` 类似，但创建的复制缓冲区为只读缓冲区。
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`slice()` 也与 `duplicate()` 类似，但创建的复制缓冲区与原缓冲区只共享部分数据元素，并且所有标志位都处于原始状态：
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`slice()` 也与 `duplicate()` 类似，但创建的复制缓冲区与原缓冲区只共享部分数据元素，并且所有标志位都处于原始状态：
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<div align="center"> <img src="../pictures/buffer_slice.png"/> </div>
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示例如下：
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使用示例如下：
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```java
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```java
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CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(100);
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CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(100);
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@ -178,9 +264,9 @@ System.out.println("duplicate:" + duplicate.position() + "," + duplicate.limit()
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System.out.println("slice:" + slice.position() + "," + slice.limit()); //slice:0,3
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System.out.println("slice:" + slice.position() + "," + slice.limit()); //slice:0,3
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```
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```
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### 1.5 直接缓冲区
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### 2.5 直接缓冲区
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ByteBuffer 支持使用 `allocateDirect` 方法来创建直接缓冲区，示例如下：
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ByteBuffer 支持使用 `allocateDirect()` 方法来创建直接缓冲区，示例如下：
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```java
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```java
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ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(100);
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ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(100);
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@ -188,13 +274,11 @@ ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(100);
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## 三、Channel
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### 3.1 通道基础
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## 二、Channel
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Channel 接口的定义如下，其中定义了两个基础方法：
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### 2.1 通道基础
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Channel 接口的定义如下，其中包含了两个基础方法：
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+ **isOpen()**：判断当前 Channel 是否处于打开状态；
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+ **isOpen()**：判断当前 Channel 是否处于打开状态；
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+ **close()**：关闭当前 Channel 。Channel 关闭后，就不能在其上再进行任何 IO 操作，否则将抛出 ClosedChannelException 异常。
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+ **close()**：关闭当前 Channel 。Channel 关闭后，就不能在其上再进行任何 IO 操作，否则将抛出 ClosedChannelException 异常。
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@ -224,11 +308,12 @@ FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File("path"));
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FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
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FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
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```
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```
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### 2.2 文件通道
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### 3.2 文件通道
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FileChannel 是一个连接到文件的通道，通过该通道可以完成文件的读写。需要注意的是 FileChannel 无法设置为非阻塞模式，因此它总是运行在阻塞模式下。通过 FileChannel 和 Buffer 可以高效地完成文件的拷贝，示例如下：
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FileChannel 是一个连接到文件的通道，通过该通道可以完成文件的读写。另外 FileChannel 无法设置为非阻塞模式，因为对文件读写操作设置非阻塞并没有什么意义。FileChannel 的使用示例如下：
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```java
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```java
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// 示例：文件拷贝
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try {
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try {
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FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("D:\\a.png"));
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FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("D:\\a.png"));
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FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(new File("D:\\b.png"));
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FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(new File("D:\\b.png"));
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@ -275,7 +360,7 @@ public void close() throws IOException {
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}
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}
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```
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```
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### 2.3 Channel To Channel
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### 3.3 Channel To Channel
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在 Java NIO 中，如果两个 Channel 中有一个是 FileChannel，那么可以直接将数据从一个 Channel 传输到另外一个 Channel：
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在 Java NIO 中，如果两个 Channel 中有一个是 FileChannel，那么可以直接将数据从一个 Channel 传输到另外一个 Channel：
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@ -303,7 +388,7 @@ try {
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}
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}
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```
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```
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### 2.4 Scatter/Gather
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### 3.4 Scatter/Gather
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Java NIO 支持 scatter 和 gather 操作：
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Java NIO 支持 scatter 和 gather 操作：
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@ -320,7 +405,8 @@ fileInputStream.getChannel().read(buffers);
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此时 Channel 中的数据会依次写入到 Buffer01， Buffer02， Buffer03 上。Scatter 通常用于固定长度数据的处理，假设一个数据单元由 header，body，footer 三部分组成，并且每部分的长度都是固定的，此时通过 Scatter 操作，每一组数据的 header，body，footer 都会分别固定地写到 Buffer01， Buffer02， Buffer03 上，此时就可以对每个 Buffer 应用不同的处理逻辑：
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此时 Channel 中的数据会依次写入到 Buffer01， Buffer02， Buffer03 上。Scatter 通常用于固定长度数据的处理，假设一个数据单元由 header，body，footer 三部分组成，并且每部分的长度都是固定的，此时通过 Scatter 操作，每一组数据的 header，body，footer 都会分别固定地写到 Buffer01， Buffer02， Buffer03 上，此时就可以对每个 Buffer 应用不同的处理逻辑：
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_scatter.png"/> </div>
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+ **聚集 (gather)**：将多个 Buffer 中的数据依次写入到同一个 Channel 上。示例如下：
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+ **聚集 (gather)**：将多个 Buffer 中的数据依次写入到同一个 Channel 上。示例如下：
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@ -333,15 +419,17 @@ ByteBuffer[] buffers = new ByteBuffer[]{buffer01, buffer02, buffer03};
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fileInputStream.getChannel().read(buffers);
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fileInputStream.getChannel().read(buffers);
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```
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```
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_gather.png"/> </div>
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### 2.5 Pipe
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Java 提供了 Pipe 类用于在不同线程之间传递数据：
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### 3.5 Pipe
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Java NIO 还提供了 Pipe 管道用于在不同线程之间传递数据：
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Pipe 管道可以通过 Pipe 的静态方法 `open()` 来创建：
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_pipe.png"/> </div>
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Pipe 管道可以通过 Pipe 类的静态方法 `open()` 来创建：
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```java
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```java
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Pipe pipe = Pipe.open();
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Pipe pipe = Pipe.open();
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@ -349,7 +437,7 @@ Pipe pipe = Pipe.open();
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创建完成后可以通过其 `sink()` 和 `source()` 方法来创建对应的 SinkChannel 和 SourceChannel：
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创建完成后可以通过其 `sink()` 和 `source()` 方法来创建对应的 SinkChannel 和 SourceChannel：
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```shell
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```java
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Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
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Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
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Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
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Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
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```
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```
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@ -394,9 +482,9 @@ new Thread(() -> {
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## 三、Selector
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## 四、Selector
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### 3.1 创建选择器
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### 4.1 创建选择器
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想要创建一个选择器，可以通过 Selector 类的静态方法 `open()` 来实现：
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想要创建一个选择器，可以通过 Selector 类的静态方法 `open()` 来实现：
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@ -404,9 +492,9 @@ new Thread(() -> {
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Selector selector = Selector.open();
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Selector selector = Selector.open();
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```
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```
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### 3.2 注册通道
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### 4.2 注册通道
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想要将 Channel 和 Selector 配合使用，必须要通过 `register()` 方法将 Channel 注册到 Selector 上，示例如下：
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之后须要通过 `register()` 方法将 Channel 注册到 Selector 上，示例如下：
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```java
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```java
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// 创建ServerSocketChannel
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// 创建ServerSocketChannel
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@ -446,7 +534,7 @@ register(Selector sel, int ops, Object att)
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这个附加信息可以在事件触发时通过 SelectionKey 对象再次得到。
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这个附加信息可以在事件触发时通过 SelectionKey 对象再次得到。
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### 3.3 select
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### 4.3 select
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当你在 Selector 上注册好通道后，就可以使用 `select()` 方法来获取处于就绪状态的事件的集合。示例如下：
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当你在 Selector 上注册好通道后，就可以使用 `select()` 方法来获取处于就绪状态的事件的集合。示例如下：
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@ -460,17 +548,18 @@ select 有以下三个重载方法：
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+ **select(long timeout)**：与 `select()` 类似，但最长只阻塞 timout 毫秒；
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+ **select(long timeout)**：与 `select()` 类似，但最长只阻塞 timout 毫秒；
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+ **selectNow()**：不会阻塞，如果不存在就绪事件，则直接返回 0。
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+ **selectNow()**：不会阻塞，如果不存在就绪事件，则直接返回 0。
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需要注意的是如果是 Ready 操作集发生了变化，select 操作的返回值也可能是 0。这意味着如果某个通道注册的是 `OP_READ` 事件，那么该通道在第一次收到消息时 select 操作返回的值是 1，但是之后收到消息时 select 的返回值则是 0。因此在循环获取消息时，对于 select 返回值的判断应该加上为 0 的情况：
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需要注意的是如果是 Ready 操作集发生了变化，select 操作的返回值也可能是 0。这意味着如果某个通道注册的是 `OP_READ` 事件，那么该通道在第一次收到消息时，select 操作返回的值是 1；但是之后收到消息时，select 的返回值却可能是 0。因此在循环获取消息时，对于 select 返回值的判断应该加上为 0 的情况：
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```java
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```java
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// 如果选择器上存在就绪事件，则进行处理
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while (selector.select() >= 0) {
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while (selector.select() >= 0) {
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....
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....
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}
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}
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```
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```
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### 3.4 SelectionKey
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### 4.4 SelectionKey
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当存在注册的事件处于就绪状态时，可以通过 Selector 的 `selectedKeys()` 方法来获取处于就绪状态的事件信息：
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当注册的事件处于就绪状态时，可以通过 Selector 的 `selectedKeys()` 方法来获取处于就绪状态的事件信息：
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```java
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```java
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Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
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Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
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@ -523,15 +612,18 @@ public abstract class SelectionKey {
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}
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}
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```
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```
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## 四、聊天室实例
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## 五、聊天室实例
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下面以一个群聊的聊天室为例，来展示 Java NIO 三大组件的综合使用，效果如下：
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下面以一个群聊的聊天室为例，来展示 Java NIO 三大组件的综合使用，效果如下：
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<div align="center"> <img src="../pictures/nio_chat_group.png"/> </div>
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### 4.1 群聊服务器
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### 5.1 群聊服务器
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群聊服务器的实现如下：
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群聊服务器的实现如下：
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@ -672,10 +764,11 @@ public class ChatServer {
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new ChatServer(8888).start();
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new ChatServer(8888).start();
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}
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}
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}
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}
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```
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```
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### 4.2 客户端实现
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### 5.2 客户端实现
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客户端的实现如下：
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```java
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```java
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package chat;
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package chat;
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@ -812,11 +905,16 @@ public class ChatClient {
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new ChatClient("127.0.0.1", 8888).start();
|
new ChatClient("127.0.0.1", 8888).start();
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}
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}
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}
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}
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## 参考资料
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+ [Ron Hitchens . Java NIO . O'Reilly Media . 2002-08-15](https://book.douban.com/subject/1433583/)
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+ [Java NIO Tutorial](http://tutorials.jenkov.com/java-nio/index.html)
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+ [一文读懂 Java NIO 和 IO 的不同](https://baijiahao.baidu.com/s?id=1632673729522644150&wfr=spider&for=pc)
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pictures/nio_channel_buffer.png
Normal file
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pictures/nio_channel_buffer.png
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Binary file not shown.
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After Width: | Height: | Size: 6.2 KiB |
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Before Width: | Height: | Size: 66 KiB After Width: | Height: | Size: 40 KiB |
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pictures/nio_selector.png
Normal file
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pictures/nio_selector.png
Normal file
Binary file not shown.
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After Width: | Height: | Size: 13 KiB |
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