探秘JDK 7之四：下一代I/O（NIO.2）
51CTO曾在Java 7 下一代Java開發技術詳解專題里對“JDK 7 I/O新功能”有過簡單地介紹，其實早在2000年的時候，Sun公司就啟動了JSR 51：為Java平臺開發新的I/O API，直接訪問操作系統底層輸入/輸出操作以提高應用程序的性能，首次引入這套API是在J2SE 1.4中，根據維基百科的新I/O詞條顯示，新I/O(NIO)由下列API組成：
◆ 原始類型數據緩沖
◆ 字符集編碼和解碼
◆ 通道，新的原始I/O抽象
◆ 支持上鎖和內存映射的文件接口，文件最大支持Integer.MAX_VALUE字節(2GB)
◆ 為可擴展服務器提供的多路復用，無阻塞I/O設施(基于選擇器和鍵)
JSR 203(NIO.2)除了解決JSR 51遺留下來的問題外，還為Java平臺提供了更多新的I/O API，NIO.2解決了java.awt.File文件系統接口存在的重大問題，引入了異步I/O，并完成了未包括在JSR 51中的功能，下面列出了包含在JSR 203中的主要組件：
◆ 新的文件系統接口，支持大塊訪問文件屬性，更改通知，繞開文件系統指定的API，也是可插拔文件系統實現的服務提供者接口。
◆ 對套接字和文件同時提供了異步I/O操作的API。
◆ JSR 51中定義的完整的套接字通道功能，此外還包括綁定，選項配置和多播數據報的支持。
新的文件系統接口
Java的File類存在重大問題，例如，操作出錯時，delete()和mkdir()方法返回一個狀態碼而不是一個異常，沒有辦法獲知失敗的原因，此外還包括以下問題：
◆ File沒有提供方法來檢測符號鏈接，要知道為什么檢測符號鏈接很重要，以及如何解決這個問題的辦法，請參考Patrick的文章“在Java中如何處理文件系統軟鏈接/符號鏈接”和“Java中的鏈接/別名/快捷方式”。
◆ File提供的方法只能訪問部分文件屬性，不能訪問文件權限和訪問控制列表。
◆ File沒有提供方法一次訪問文件的所有屬性(如文件的修改時間和它的類型)，因為文件系統需要為每個屬性執行查詢請求，可能存在性能問題。
◆ File的list()和listFiles()方法返回文件名和目錄名的數組，但不支持大目錄，通過網絡展示大目錄清單時，調用list()/listFiles()方法可能會使當前的線程阻塞相當長一段時間，而在服務器端，虛擬機可能會耗盡內存。
◆ File沒有提供復制和移動文件的方法，雖然File提供了一個renameTo()方法在某些時候可以用來移動文件，但它的行為與平臺關系緊密，即在不同平臺上的行為是不一致的，根據renameTo()的文檔說明，這個方法不能在文件系統之間移動文件，它可能不是原子的，如果目標路徑下已存在同名文件，這個操作可能不會成功。
◆ File也沒有提供改變通知方法，需要應用程序自己實現，因此導致應用程序的性能下降，例如，服務器需要確定什么時候往目錄中添加了一個新的JAR文件，它需要實時監視這個目錄，因為服務器后臺線程需要頻繁讀取文件系統，因此性能會有所下降。
◆ File也不允許開發人員引入他們自己的文件系統訪問功能，例如，開發人員可能想將文件系統存儲到一個zip文件中，或創建一個內存文件系統。
NIO.2引入了新的文件系統接口，除了解決上述存在的問題外，還引入了更多的功能，這個接口由位于java.nio.file，java.nio.file.attribute和java.nio.file.spi包中的類和其它類型組成。
這些包提供了多個切入點，其中一個切入點就是java.nio.file.Paths類，它提供了兩個方法返回一個java.nio.file.Path實例：
◆ public static Path get(String path) – 它通過轉換給定路徑字符串返回給這個實例構造一個Path實例。
◆ public static Path get(URI uri) -它通過轉換給定路徑的URI(統一資源定位符)返回給這個實例構造一個Path實例。
與傳統的基于File的代碼互操作：
File類提供了一個public Path toPath()方法，它可以將一個File實例轉換成一個Path實例。
當你創建了一個Path實例后，你就可以使用這個實例執行許多路徑操作(如返回路徑的一部分，連接兩個路徑)和許多文件操作(如刪除，移動和復制文件)。
為了不將問題復雜化，我就不深入講解Path了，這里我用一段代碼簡單地演示一下以前的get()方法和Path的delete()方法。
清單1. InformedDelete.java
- // InformedDelete.java
- import java.io.IOException;
- import java.nio.file.DirectoryNotEmptyException;
- import java.nio.file.NoSuchFileException;
- import java.nio.file.Path;
- import java.nio.file.Paths;
- public class InformedDelete
- {
- public static void main (String [] args)
- {
- if (args.length != 1)
- {
- System.err.println ("usage: java InformedDelete path");
- return;
- }
- // Attempt to construct a Path instance by converting the path argument
- // string. If unsuccessful (you passed an empty string as the
- // command-line argument), the get() method throws an instance of the
- // unchecked java.nio.file.InvalidPathException class.
- Path path = Paths.get (args [0]);
- try
- {
- path.delete (); // Attempt to delete the path.
- }
- catch (NoSuchFileException e)
- {
- System.err.format ("%s: no such file or directory%n", path);
- }
- catch (DirectoryNotEmptyException e)
- {
- System.err.format ("%s: directory not empty%n", path);
- }
- catch (IOException e)
- {
- System.err.format ("%s: %s%n", path, e);
- }
- }
- }
InformedDelete調用Path的delete()方法解決了File的delete()方法不能確定失敗原因的問題，當Path的delete()當的檢測到操作失敗時，它會根據情況拋出適當的異常，如：
◆ 如果文件不存在，拋出java.nio.file.NoSuchFileException異常。
◆ 如果文件是一個目錄不能刪除，拋出java.nio.file.DirectoryNotEmptyException異常，因為這個目錄下可能還包括一個空目錄。
◆ 如果遇到其他I/O問題，則拋出java.io.IOException的子類異常，例如，如果文件是只讀的，拋出java.nio.file.AccessDeniedException異常。
#p#
異步I/O
JSR 51引入了多路復用I/O(無阻塞I/O和選擇就緒的結合)使創建高可擴展服務器變得更加容易，本質上是這樣的，客戶端代碼用一個選擇器注冊一個套接字通道，當通道準備好可以開始I/O操作時發出通知。
如果要深入研究多路復用I/O，請閱讀Ron Hitchens的《Java NIO》一書。
JSR 203還引入了異步I/O，它也被用來建立高可擴展服務器，和多路復用I/O不同，異步I/O是讓客戶端啟動一個I/O操作，當操作完成后向客戶端發送一個通知。
異步I/O是通過以下位于java.nio.channels包中的接口和類實現的，它們的名稱前面都加了Asynchronous前綴：
◆ AsynchronousChannel – 標識一個支持異步I/O的通道。
◆ AsynchronousByteChannel – 標識一個支持讀寫字節的異步通道，這個接口擴展了AsynchronousChannel。
◆ AsynchronousDatagramChannel – 標識一個面向數據報套接字異步通道，這個類實現了AsynchronousByteChannel。
◆ AsynchronousFileChannel – 標識一個可讀，寫和操作文件的異步通道，這個類實現了AsynchronousChannel。
◆ AsynchronousServerSocketChannel – 標識一個面向流監聽套接字的異步通道，這個類實現了AsynchronousChannel。
◆ AsynchronousSocketChannel – 標識一個面向流連接套接字的異步通道，這個類實現了AsynchronousByteChannel。
◆ AsynchronousChannelGroup – 標識一個用于資源共享的異步通道組。
AsynchronousChannel文檔指定了兩種形式的異步I/O操作：
◆ Future operation(...)
◆ void operation(... A attachment, CompletionHandler handler)
operation列舉I/O操作(如讀，寫)，V是操作的結果類型，A是附加給操作的對象類型。
第一種形式需要你調用java.util.concurrent.Future方法檢查操作是否完成，等待完成和檢索結果，清單2的代碼演示了這樣一個示例。
清單2. AFCDemo1.java
- // AFCDemo1.java
- import java.io.IOException;
- import java.nio.ByteBuffer;
- import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
- import java.nio.file.Path;
- import java.nio.file.Paths;
- import java.util.concurrent.Future;
- public class AFCDemo1
- {
- public static void main (String [] args) throws Exception
- {
- if (args.length != 1)
- {
- System.err.println ("usage: java AFCDemo1 path");
- return;
- }
- Path path = Paths.get (args [0]);
- AsynchronousFileChannel ch = AsynchronousFileChannel.open (path);
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate (1024);
- Future<Integer> result = ch.read (buf, 0);
- while (!result.isDone ())
- {
- System.out.println ("Sleeping...");
- Thread.sleep (500);
- }
- System.out.println ("Finished = "+result.isDone ());
- System.out.println ("Bytes read = "+result.get ());
- ch.close ();
- }
- }
調用AsynchronousFileChannel's public static AsynchronousFileChannel open(Path file, OpenOption... options)方法打開file參數進行讀取，然后創建了一個字節緩沖區存儲讀取操作的結果。
接下來調用public abstract Future read(ByteBuffer dst, long position)方法異步讀取文件的前1024個字節，這個方法返回一個Future實例代表這個操作的結果。
調用read()方法后，進入一個表決循環，重復調用Future的isDone()方法檢查操作是否完成，一直等到讀操作結束，最后調用Future的get()方法返回讀取到的字節大小。
第二種形式需要你指定java.nio.channels.CompletionHandler，并實現下面的方法使用前面操作返回的結果，或是了解操作為什么失敗，并采取適當的行動：
◆ 當操作完成時調用void completed(V result, A attachment)，這個操作的結果是由result標識的，附加給操作的對象是由attachment標識的。
◆ 當操作失敗時調用void failed(Throwable exc, A attachment)，操作失敗的原因是由exc標識的，附加給操作的對象是由attachment標識的。
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我創建了一個程序演示創建和接收讀操作狀態的通知，其代碼如清單3所示。
清單3. AFCDemo2.java
- // AFCDemo2.java
- import java.io.IOException;
- import java.nio.ByteBuffer;
- import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
- import java.nio.channels.CompletionHandler;
- import java.nio.file.Path;
- import java.nio.file.Paths;
- public class AFCDemo2
- {
- static Thread current;
- public static void main (String [] args) throws Exception
- {
- if (args.length != 1)
- {
- System.err.println ("usage: java AFCDemo1 path");
- return;
- }
- Path path = Paths.get (args [0]);
- AsynchronousFileChannel ch = AsynchronousFileChannel.open (path);
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate (1024);
- current = Thread.currentThread ();
- ch.read (buf, 0, null,
- new CompletionHandler<Integer, Void> ()
- {
- public void completed (Integer result, Void v)
- {
- System.out.println ("Bytes read = "+result);
- current.interrupt ();
- }
- public void failed (Throwable exc, Void v)
- {
- System.out.println ("Failure: "+exc.toString ());
- current.interrupt ();
- }
- });
- System.out.println ("Waiting for completion");
- try
- {
- current.join ();
- }
- catch (InterruptedException e)
- {
- }
- System.out.println ("Terminating");
- ch.close ();
- }
- }
上面的代碼調用AsynchronousFileChannel's public abstract void read(ByteBuffer dst, long position, A attachment, CompletionHandler handler)方法異步讀取前1024字節。
雖然我們只演示了單一的讀操作，但attachment部分也很重要，上面的代碼演示了傳遞一個null給read()方法，并指定附加類型為Void。
完整的套接字通道功能
JSR 51的DatagramChannel，ServerSocketChannel和SocketChannel類沒有完整抽象一個網絡套接字，為了綁定通道的套接字，或為了獲得/設置套接字選項，你必須先調用每個類的socket()方法檢索對等套接字。
JSR 51生效時沒有時間定義完整的套接字通道API，因此形成了套接字通道和套接字API混合的局面，JSR203引入新的java.nio.channels.NetworkChannel接口解決了這個問題。
NetworkChannel提供了將套接字綁定到本地地址，返回綁定地址，以及獲得/設置套接字選項的方法，這個接口是通過同步和異步套接字類實現的，不再需要調用socket()方法。
JSR 203也引入了新的java.nio.channels.MulticastChannel接口，它為DatagramChannel提供了IP多播的支持，以及對應的異步支持。
總結
本系列文章介紹了即將發布的JDK 7包含的一些新特性，新的里程碑版本可能很快就會發布，你現在就可以嘗試一下這些新特性，也許Oracle/Sun將會增加更多的新特性，如JWebPane瀏覽器組件，因為之前Sun就曾用閉包讓我們驚訝過一次了。
關于Java 7的更多內容，歡迎訪問51CTO推薦專題：Java 7 下一代Java開發技術詳解
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