只有光头才能变强
回顾前面:
本来我预想是先来回顾一下传统的IO模式的,将传统的IO模式的相关类理清楚(因为IO的类很多)。
但是,发现在整理的过程 已经有很多优秀的文章 了,而我自己来整理的话可能达不到他们的水平。并且 传统的IO估计大家都会用,而NIO就不一定了 。
下面我就贴几张我认为整理比较优秀的思维导图(下面会给出图片来源地址,大家可前往阅读):
按操作方式分类结构图:
字节流的输入和输出对照图:
字符流的输入和输出对照图:
按操作对象分类结构图:
上述图片原文地址,知乎作者@小明:
还有 阅读传统IO源码 的优秀文章:
相信大家看完上面两个给出的链接+理解了 包装模式就是这么简单啦 ,传统的IO应该就没什么事啦~~
而NIO对于我来说可以说是挺 陌生 的,在当初学的时候是接触过的。 但是 一直没有用它,所以停留认知:nio是jdk1.4开始有的,比传统IO高级。
相信很多初学者都跟我一样,对NIO是不太了解的。而我们现在jdk10都已经发布了,jdk1.4的nio都不知道,这有点说不过去了。
所以我花了几天去了解 NIO的核心知识点 ,期间看了《Java 编程思想》和《疯狂Java 讲义》的nio模块。 但是 ,会发现看完了之后还是很 迷 ,不知道NIO这是干嘛用的,而网上的资料与书上的知识点没有很好地对应。
同步/异步/阻塞/非阻塞/多路复用
, 而不同的人又有不同的理解方式 。 select/epoll/poll/pselect
, fd
这些关键字,没有相关基础的人看起来简直是天书 我在找资料的过程中也收藏了好多讲解NIO的资料,这篇文章就是 以初学的角度来理解NIO 。也算是我这两天看NIO的一个总结吧。
那么接下来就开始吧,如果文章有错误的地方请大家多多包涵,不吝在评论区指正哦~
声明:本文使用JDK1.8
JDK 1.4中的 java.nio.*包
中引入新的Java I/O库,其目的是 提高速度 。实际上,“旧”的I/O包已经使用NIO 重新实现过,即使我们不显式的使用NIO编程,也能从中受益 。
在《Java编程思想》读到 “即使我们不显式的使用NIO编程,也能从中受益” 的时候,我是挺在意的,所以:我们 测试 一下使用NIO复制文件和传统IO复制文件的性能:
import java.io.*; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; public class SimpleFileTransferTest { private long transferFile(File source, File des) throws IOException { long startTime = System.currentTimeMillis(); if (!des.exists()) des.createNewFile(); BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source)); BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(des)); //将数据源读到的内容写入目的地--使用数组 byte[] bytes = new byte[1024 * 1024]; int len; while ((len = bis.read(bytes)) != -1) { bos.write(bytes, 0, len); } long endTime = System.currentTimeMillis(); return endTime - startTime; } private long transferFileWithNIO(File source, File des) throws IOException { long startTime = System.currentTimeMillis(); if (!des.exists()) des.createNewFile(); RandomAccessFile read = new RandomAccessFile(source, "rw"); RandomAccessFile write = new RandomAccessFile(des, "rw"); FileChannel readChannel = read.getChannel(); FileChannel writeChannel = write.getChannel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);//1M缓冲区 while (readChannel.read(byteBuffer) > 0) { byteBuffer.flip(); writeChannel.write(byteBuffer); byteBuffer.clear(); } writeChannel.close(); readChannel.close(); long endTime = System.currentTimeMillis(); return endTime - startTime; } public static void main(String[] args) throws IOException { SimpleFileTransferTest simpleFileTransferTest = new SimpleFileTransferTest(); File sourse = new File("F://电影//[电影天堂www.dygod.cn]猜火车-cd1.rmvb"); File des = new File("X://Users//ozc//Desktop//io.avi"); File nio = new File("X://Users//ozc//Desktop//nio.avi"); long time = simpleFileTransferTest.transferFile(sourse, des); System.out.println(time + ":普通字节流时间"); long timeNio = simpleFileTransferTest.transferFileWithNIO(sourse, nio); System.out.println(timeNio + ":NIO时间"); } }
我分别测试了文件大小为13M,40M,200M的:
可以看到使用过NIO重新实现过的 传统IO根本不虚 ,在大文件下效果还比NIO要好(当然了,个人几次的测试,或许不是很准)
那这意味着我们 可以不使用/学习NIO了吗 ?
答案是 否定 的,IO操作往往在 两个场景 下会用到:
NIO的 魅力:在网络中使用IO就可以体现出来了 !
首先我们来看看 IO和NIO的区别 :
NIO主要有 三个核心部分组成 :
在NIO中并不是以流的方式来处理数据的,而是以buffer缓冲区和Channel管道 配合使用 来处理数据。
简单理解一下:
而我们的NIO就是 通过Channel管道运输着存储数据的Buffer缓冲区的来实现数据的处理 !
相对于传统IO而言, 流是单向的 。对于NIO而言,有了Channel管道这个概念,我们的 读写都是双向 的(铁路上的火车能从广州去北京、自然就能从北京返还到广州)!
我们来看看Buffer缓冲区有什么值得我们注意的地方。
Buffer是缓冲区的抽象类:
其中ByteBuffer是 用得最多的实现类 (在管道中读写字节数据)。
拿到一个缓冲区我们往往会做什么?很简单,就是 读取缓冲区的数据/写数据到缓冲区中 。所以,缓冲区的核心方法就是:
put()
get()
Buffer类维护了4个核心变量属性来提供 关于其所包含的数组的信息 。它们是:
get( )
和 put( )
函数更新。
首先展示一下 是如何创建缓冲区的,核心变量的值是怎么变化的 。
public static void main(String[] args) { // 创建一个缓冲区 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 看一下初始时4个核心变量的值 System.out.println("初始时-->limit--->"+byteBuffer.limit()); System.out.println("初始时-->position--->"+byteBuffer.position()); System.out.println("初始时-->capacity--->"+byteBuffer.capacity()); System.out.println("初始时-->mark--->" + byteBuffer.mark()); System.out.println("--------------------------------------"); // 添加一些数据到缓冲区中 String s = "Java3y"; byteBuffer.put(s.getBytes()); // 看一下初始时4个核心变量的值 System.out.println("put完之后-->limit--->"+byteBuffer.limit()); System.out.println("put完之后-->position--->"+byteBuffer.position()); System.out.println("put完之后-->capacity--->"+byteBuffer.capacity()); System.out.println("put完之后-->mark--->" + byteBuffer.mark()); }
运行结果:
现在 我想要从缓存区拿数据 ,怎么拿呀??NIO给了我们一个 flip()
方法。这个方法可以 改动position和limit的位置 !
还是上面的代码,我们 flip()
一下后,再看看4个核心属性的值会发生什么变化:
很明显的是:
看到这里的同学可能就会想到了:当调用完 filp()
时: limit是限制读到哪里,而position是从哪里读
一般我们称 filp()
为 “切换成读模式”
filp()
“切换成读模式” 。
切换成读模式之后,我们就可以读取缓冲区的数据了:
// 创建一个limit()大小的字节数组(因为就只有limit这么多个数据可读) byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()]; // 将读取的数据装进我们的字节数组中 byteBuffer.get(bytes); // 输出数据 System.out.println(new String(bytes, 0, bytes.length));
随后输出一下核心变量的值看看:
读完我们还想写数据到缓冲区,那就使用 clear()
函数,这个函数会“清空”缓冲区:
Channel通道 只负责传输数据、不直接操作数据的 。操作数据都是通过Buffer缓冲区来进行操作!
// 1. 通过本地IO的方式来获取通道 FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("F://3yBlog//JavaEE常用框架//Elasticsearch就是这么简单.md"); // 得到文件的输入通道 FileChannel inchannel = fileInputStream.getChannel(); // 2. jdk1.7后通过静态方法.open()获取通道 FileChannel.open(Paths.get("F://3yBlog//JavaEE常用框架//Elasticsearch就是这么简单2.md"), StandardOpenOption.WRITE);
使用 FileChannel配合缓冲区 实现文件复制的功能:
使用 内存映射文件 的方式实现 文件复制 的功能(直接操作缓冲区):
通道之间通过 transfer()
实现数据的传输(直接操作缓冲区):
使用直接缓冲区有两种方式:
map()
方法,将文件直接映射到内存中创建
这个知识点我感觉用得挺少的,不过很多教程都有说这个知识点,我也拿过来说说吧:
分散读取
聚集写入
字符集(只要编码格式和解码格式一致,就没问题了)
文件的IO就告一段落了,我们来学习网络中的IO~~~为了更好地理解NIO, 我们先来学习一下IO的模型 ~
根据UNIX网络编程对I/O模型的分类, 在UNIX可以归纳成5种I/O模型 :
Linux 的内核将所有外部设备 都看做一个文件来操作 ,对一个文件的读写操作会 调用内核提供的系统命令(api) ,返回一个 file descriptor
(fd,文件描述符)。而对一个socket的读写也会有响应的描述符,称为 socket fd
(socket文件描述符),描述符就是一个数字, 指向内核中的一个结构体 (文件路径,数据区等一些属性)。
为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel), 保证内核的安全 ,操心系统将虚拟空间划分为两部分
我们来看看IO在系统中的运行是怎么样的(我们 以read为例 )
可以发现的是:当应用程序调用read方法时,是需要 等待 的--->从内核空间中找数据,再将内核空间的数据拷贝到用户空间的。
下面只讲解用得最多的3个I/0模型:
在进程(用户)空间中调用 recvfrom
,其系统调用直到数据包到达且 被复制到应用进程的缓冲区中或者发生错误时才返回 ,在此期间 一直等待 。
recvfrom
从应用层到内核的时候,如果没有数据就 直接返回 一个EWOULDBLOCK错误,一般都对非阻塞I/O模型 进行轮询检查这个状态 ,看内核是不是有数据到来。
前面也已经说了:在Linux下对文件的操作是 利用文件描述符(file descriptor)来实现的 。
在Linux下它是这样子实现I/O复用模型的:
select/poll/epoll/pselect
其中一个函数, 传入多个文件描述符 ,如果有一个文件描述符 就绪,则返回 ,否则阻塞直到超时。 比如 poll()
函数是这样子的: int poll(struct pollfd *fds,nfds_t nfds, int timeout);
其中 pollfd
结构定义如下:
struct pollfd { int fd; /* 文件描述符 */ short events; /* 等待的事件 */ short revents; /* 实际发生了的事件 */ };
select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快,而是 在于能处理更多的连接 。
正经的描述都在上面给出了,不知道大家理解了没有。下面我举几个例子总结一下这三种模型:
阻塞I/O:
非阻塞I/O:
I/O复用模型:
回到我们最开始的图:
NIO被叫为 no-blocking io
,其实是在 网络这个层次中理解的 ,对于 FileChannel来说一样是阻塞 。
我们前面也仅仅讲解了FileChannel,对于我们网络通信是还有几个Channel的~
所以说:我们 通常 使用NIO是在网络中使用的,网上大部分讨论NIO都是在 网络通信的基础之上 的!说NIO是非阻塞的NIO也是 网络中体现 的!
从上面的图我们可以发现还有一个 Selector
选择器这么一个东东。从一开始我们就说过了,nio的 核心要素 有:
我们在网络中使用NIO往往是I/O模型的 多路复用模型 !
为了更好地理解,我们先来写一下NIO 在网络中是阻塞的状态代码 ,随后看看非阻塞是怎么写的就更容易理解了。
客户端:
public class BlockClient { public static void main(String[] args) throws IOException { // 1. 获取通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666)); // 2. 发送一张图片给服务端吧 FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("X://Users//ozc//Desktop//新建文件夹//1.png"), StandardOpenOption.READ); // 3.要使用NIO,有了Channel,就必然要有Buffer,Buffer是与数据打交道的呢 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 4.读取本地文件(图片),发送到服务器 while (fileChannel.read(buffer) != -1) { // 在读之前都要切换成读模式 buffer.flip(); socketChannel.write(buffer); // 读完切换成写模式,能让管道继续读取文件的数据 buffer.clear(); } // 5. 关闭流 fileChannel.close(); socketChannel.close(); } }
服务端:
public class BlockServer { public static void main(String[] args) throws IOException { // 1.获取通道 ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open(); // 2.得到文件通道,将客户端传递过来的图片写到本地项目下(写模式、没有则创建) FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.png"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE); // 3. 绑定链接 server.bind(new InetSocketAddress(6666)); // 4. 获取客户端的连接(阻塞的) SocketChannel client = server.accept(); // 5. 要使用NIO,有了Channel,就必然要有Buffer,Buffer是与数据打交道的呢 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 6.将客户端传递过来的图片保存在本地中 while (client.read(buffer) != -1) { // 在读之前都要切换成读模式 buffer.flip(); outChannel.write(buffer); // 读完切换成写模式,能让管道继续读取文件的数据 buffer.clear(); } // 7.关闭通道 outChannel.close(); client.close(); server.close(); } }
结果就可以将客户端传递过来的图片保存在本地了:
此时服务端保存完图片想要告诉客户端已经收到图片啦:
客户端接收服务端带过来的数据:
如果仅仅是上面的代码 是不行 的!这个程序会 阻塞 起来!
于是客户端在写完数据给服务端时, 显式告诉服务端已经发完数据 了!
如果使用非阻塞模式的话,那么我们就可以不显式告诉服务器已经发完数据了。我们下面来看看怎么写:
客户端:
public class NoBlockClient { public static void main(String[] args) throws IOException { // 1. 获取通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666)); // 1.1切换成非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 2. 发送一张图片给服务端吧 FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("X://Users//ozc//Desktop//新建文件夹//1.png"), StandardOpenOption.READ); // 3.要使用NIO,有了Channel,就必然要有Buffer,Buffer是与数据打交道的呢 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 4.读取本地文件(图片),发送到服务器 while (fileChannel.read(buffer) != -1) { // 在读之前都要切换成读模式 buffer.flip(); socketChannel.write(buffer); // 读完切换成写模式,能让管道继续读取文件的数据 buffer.clear(); } // 5. 关闭流 fileChannel.close(); socketChannel.close(); } }
服务端:
public class NoBlockServer { public static void main(String[] args) throws IOException { // 1.获取通道 ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open(); // 2.切换成非阻塞模式 server.configureBlocking(false); // 3. 绑定连接 server.bind(new InetSocketAddress(6666)); // 4. 获取选择器 Selector selector = Selector.open(); // 4.1将通道注册到选择器上,指定接收“监听通道”事件 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 5. 轮训地获取选择器上已“就绪”的事件--->只要select()>0,说明已就绪 while (selector.select() > 0) { // 6. 获取当前选择器所有注册的“选择键”(已就绪的监听事件) Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator(); // 7. 获取已“就绪”的事件,(不同的事件做不同的事) while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); // 接收事件就绪 if (selectionKey.isAcceptable()) { // 8. 获取客户端的链接 SocketChannel client = server.accept(); // 8.1 切换成非阻塞状态 client.configureBlocking(false); // 8.2 注册到选择器上-->拿到客户端的连接为了读取通道的数据(监听读就绪事件) client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { // 读事件就绪 // 9. 获取当前选择器读就绪状态的通道 SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 9.1读取数据 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 9.2得到文件通道,将客户端传递过来的图片写到本地项目下(写模式、没有则创建) FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.png"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE); while (client.read(buffer) > 0) { // 在读之前都要切换成读模式 buffer.flip(); outChannel.write(buffer); // 读完切换成写模式,能让管道继续读取文件的数据 buffer.clear(); } } // 10. 取消选择键(已经处理过的事件,就应该取消掉了) iterator.remove(); } } } }
还是刚才的需求: 服务端保存了图片以后,告诉客户端已经收到图片了 。
在服务端上只要在后面写些数据给客户端就好了:
在客户端上要想获取得到服务端的数据,也需要注册在register上(监听读事件)!
public class NoBlockClient2 { public static void main(String[] args) throws IOException { // 1. 获取通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666)); // 1.1切换成非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 1.2获取选择器 Selector selector = Selector.open(); // 1.3将通道注册到选择器中,获取服务端返回的数据 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 2. 发送一张图片给服务端吧 FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("X://Users//ozc//Desktop//新建文件夹//1.png"), StandardOpenOption.READ); // 3.要使用NIO,有了Channel,就必然要有Buffer,Buffer是与数据打交道的呢 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 4.读取本地文件(图片),发送到服务器 while (fileChannel.read(buffer) != -1) { // 在读之前都要切换成读模式 buffer.flip(); socketChannel.write(buffer); // 读完切换成写模式,能让管道继续读取文件的数据 buffer.clear(); } // 5. 轮训地获取选择器上已“就绪”的事件--->只要select()>0,说明已就绪 while (selector.select() > 0) { // 6. 获取当前选择器所有注册的“选择键”(已就绪的监听事件) Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator(); // 7. 获取已“就绪”的事件,(不同的事件做不同的事) while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); // 8. 读事件就绪 if (selectionKey.isReadable()) { // 8.1得到对应的通道 SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 9. 知道服务端要返回响应的数据给客户端,客户端在这里接收 int readBytes = channel.read(responseBuffer); if (readBytes > 0) { // 切换读模式 responseBuffer.flip(); System.out.println(new String(responseBuffer.array(), 0, readBytes)); } } // 10. 取消选择键(已经处理过的事件,就应该取消掉了) iterator.remove(); } } } }
测试结果:
下面就 简单总结一下 使用NIO时的要点:
这里我就不再讲述了,最难的TCP都讲了,UDP就很简单了。
UDP:
管道:
总的来说NIO也是一个比较重要的知识点,因为它是学习netty的基础~
想以一篇来完全讲解NIO显然是不可能的啦,想要更加深入了解NIO可以往下面的链接继续学习~
参考资料:
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