從Channels、Buffers到Selectors：Java NIO基本操作指南

作者：迷路的架構(gòu)師 2023-04-13 15:45:50

在計算機(jī)領(lǐng)域，輸入/輸出（I/O）操作是應(yīng)用程序與外部設(shè)備（如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

引言

在計算機(jī)領(lǐng)域，輸入/輸出(I/O)操作是應(yīng)用程序與外部設(shè)備(如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的Java I/O模型是基于阻塞式I/O操作的，即讀取和寫入操作在完成之前會阻塞當(dāng)前線程。這種I/O模型在處理低并發(fā)、延遲要求不高的場景下表現(xiàn)尚可，但在高并發(fā)、實(shí)時性要求較高的應(yīng)用場景中，其性能表現(xiàn)往往不盡如人意。

Java NIO(New Input/Output)是為了解決這些問題而引入的一種高性能、非阻塞I/O庫。與傳統(tǒng)的Java I/O模型相比，Java NIO提供了許多改進(jìn)，如通道(Channel)、緩沖區(qū)(Buffer)和選擇器(Selector)等組件，它們共同構(gòu)成了Java NIO的基礎(chǔ)架構(gòu)。這種新的I/O模型允許應(yīng)用程序在單個線程中處理多個I/O操作，從而顯著提高了I/O處理的效率和性能。

在現(xiàn)代應(yīng)用程序中，實(shí)時數(shù)據(jù)處理和通信變得越來越重要。例如，金融交易系統(tǒng)、在線聊天應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等，都對實(shí)時性和并發(fā)性有著很高的要求。Java NIO正是為了滿足這些需求而誕生的。

Java NIO的核心組件

Java NIO庫的核心組件包括通道(Channel)、緩沖區(qū)(Buffer)和選擇器(Selector)。這些組件共同構(gòu)成了Java NIO的基礎(chǔ)架構(gòu)，并提供了一種高效、非阻塞的I/O處理方式。

通道(Channel)

通道是Java NIO中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝弧Ｅc傳統(tǒng)的Java I/O模型中的流(Stream)不同，通道提供了雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ纯梢杂糜谧x取數(shù)據(jù)，也可以用于寫入數(shù)據(jù)。Java NIO中的通道主要包括以下幾種：

FileChannel：用于文件操作的通道，可以實(shí)現(xiàn)文件的讀取、寫入和內(nèi)存映射等功能。
SocketChannel：用于TCP網(wǎng)絡(luò)操作的通道，提供了非阻塞的網(wǎng)絡(luò)通信能力。
ServerSocketChannel：用于TCP服務(wù)器端的通道，允許服務(wù)器接受客戶端連接并與客戶端進(jìn)行通信。
DatagramChannel：用于UDP網(wǎng)絡(luò)操作的通道，提供了非阻塞的數(shù)據(jù)包通信能力。

緩沖區(qū)(Buffer)

緩沖區(qū)是Java NIO中用于存儲數(shù)據(jù)的容器。它是一個線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以容納一定數(shù)量的數(shù)據(jù)元素。緩沖區(qū)主要用于在通道和應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)從通道讀取到緩沖區(qū)，或從緩沖區(qū)寫入通道。Java NIO中的緩沖區(qū)有以下幾種：

ByteBuffer：用于存儲字節(jié)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
CharBuffer：用于存儲字符數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
IntBuffer：用于存儲整數(shù)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
LongBuffer：用于存儲長整數(shù)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
FloatBuffer：用于存儲浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
DoubleBuffer：用于存儲雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

選擇器(Selector)

選擇器是Java NIO中用于處理多個通道的I/O事件的組件。通過使用選擇器，應(yīng)用程序可以在單個線程中同時處理多個通道的I/O操作，從而提高了I/O處理的效率。選擇器主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽通道上的事件(如數(shù)據(jù)可讀、數(shù)據(jù)可寫、連接可接受等)，并根據(jù)事件的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。

這些核心組件共同構(gòu)成了Java NIO的基礎(chǔ)架構(gòu)，為應(yīng)用程序提供了一種高性能、非阻塞的I/O處理方式。

Channels和Buffers的基本操作

在Java NIO中，通道(Channel)和緩沖區(qū)(Buffer)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝弧１竟?jié)將介紹如何使用這兩個組件進(jìn)行基本的I/O操作。

打開和關(guān)閉通道

通道的創(chuàng)建取決于通道的類型。例如，要創(chuàng)建一個文件通道(FileChannel)，可以通過以下方式打開一個文件并獲取其關(guān)聯(lián)的通道：

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();

對于網(wǎng)絡(luò)通道(如SocketChannel和ServerSocketChannel)，可以通過以下方式創(chuàng)建：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));

關(guān)閉通道時，需要調(diào)用其close()方法。在通道不再使用時，應(yīng)確保關(guān)閉它以釋放底層資源：

fileChannel.close();
socketChannel.close();
serverSocketChannel.close();

從通道中讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)

從通道讀取數(shù)據(jù)時，首先需要創(chuàng)建一個緩沖區(qū)來接收數(shù)據(jù)。例如，創(chuàng)建一個字節(jié)緩沖區(qū)(ByteBuffer)：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

然后，使用通道的read()方法將數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)：

int bytesRead = fileChannel.read(buffer);

將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫入通道

在向通道寫入數(shù)據(jù)之前，需要先將緩沖區(qū)翻轉(zhuǎn)(flip)，以將寫模式切換為讀模式：

buffer.flip();

接下來，使用通道的write()方法將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入通道：

javaCopy codeint bytesWritten = fileChannel.write(buffer);

緩沖區(qū)的操作：清空、翻轉(zhuǎn)、重繞等

緩沖區(qū)具有多種操作，如下所示：

清空(clear)：清空緩沖區(qū)，將位置(position)設(shè)置為0，將限制(limit)設(shè)置為容量(capacity)。清空緩沖區(qū)后，可以重新填充數(shù)據(jù)。
翻轉(zhuǎn)(flip)：將緩沖區(qū)從寫模式切換為讀模式。將位置(position)設(shè)置為0，將限制(limit)設(shè)置為當(dāng)前位置。
重繞(rewind)：將位置(position)設(shè)置為0，保持限制(limit)不變。重繞緩沖區(qū)后，可以重新讀取已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)。
標(biāo)記(mark)與重置(reset)：通過mark()方法在當(dāng)前位置設(shè)置一個標(biāo)記。通過reset()方法將位置(position)重置為標(biāo)記的位置。

這些操作使得緩沖區(qū)在不同階段的I/O操作中可以復(fù)用，從而提高了I/O處理的性能。

Selectors的使用

在Java NIO中，選擇器(Selector)是用于處理多個通道的I/O事件的組件。通過使用選擇器，應(yīng)用程序可以在單個線程中同時處理多個通道的I/O操作，從而提高了I/O處理的效率。本節(jié)將介紹如何使用選擇器進(jìn)行基本的I/O操作。

打開和關(guān)閉選擇器

要創(chuàng)建一個選擇器，可以調(diào)用Selector.open()方法：

Selector selector = Selector.open();

關(guān)閉選擇器時，需要調(diào)用其close()方法。在選擇器不再使用時，應(yīng)確保關(guān)閉它以釋放底層資源：

selector.close();

向選擇器注冊通道

在使用選擇器之前，需要將通道注冊到選擇器上。可以通過調(diào)用通道的register()方法，并指定感興趣的事件來完成注冊。例如，向選擇器注冊一個可讀事件：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = socketChannel.register(selector, 
SelectionKey.OP_READ);

注意，需要將通道設(shè)置為非阻塞模式，因?yàn)檫x擇器只支持非阻塞通道。

監(jiān)聽和處理I/O事件

要監(jiān)聽和處理I/O事件，可以使用選擇器的select()方法。這個方法會阻塞當(dāng)前線程，直到有一個或多個通道的事件準(zhǔn)備就緒。然后，可以通過selectedKeys()方法獲取已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的事件集合，并對其進(jìn)行遍歷和處理：

while (true) {
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) {
continue;
}
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isReadable()) {
// 處理可讀事件
} else if (key.isWritable()) {
// 處理可寫事件
} else if (key.isAcceptable()) {
// 處理連接可接受事件
} else if (key.isConnectable()) {
// 處理連接完成事件
}
keyIterator.remove();
}
}

在處理完事件后，需要調(diào)用keyIterator.remove()方法將事件從已選擇鍵集合中移除，以避免重復(fù)處理。

取消鍵和關(guān)閉通道

在處理完成通道的I/O操作后，可以通過調(diào)用鍵(SelectionKey)的cancel()方法將其從選擇器中取消。同時，應(yīng)確保關(guān)閉通道以釋放底層資源：

key.cancel();
socketChannel.close();

通過以上步驟，可以使用選擇器監(jiān)聽和處理多個通道的I/O事件，從而實(shí)現(xiàn)高性能、非阻塞的I/O處理。在實(shí)際項(xiàng)目中，選擇器通常與通道和緩沖區(qū)一起使用，以提供更靈活、高效的網(wǎng)絡(luò)通信和文件操作功能。

文件操作與內(nèi)存映射文件

Java NIO提供了高效的文件操作功能，如文件通道(FileChannel)和內(nèi)存映射文件(Memory-Mapped File)。這些功能使得文件I/O處理更加高效、靈活。本節(jié)將介紹如何使用這些功能進(jìn)行基本的文件操作。

使用FileChannel讀寫文件

FileChannel提供了對文件的讀、寫和映射訪問。要使用FileChannel，可以通過以下方式獲取與文件關(guān)聯(lián)的FileChannel：

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();

接下來，可以使用fileChannel.read()和fileChannel.write()方法讀寫文件：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 讀取文件
int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
// 寫入文件
buffer.flip();
int bytesWritten = fileChannel.write(buffer);

內(nèi)存映射文件

內(nèi)存映射文件是一種將文件或文件的一部分直接映射到內(nèi)存中的技術(shù)。這使得應(yīng)用程序可以直接在內(nèi)存中操作文件，從而大大提高了文件操作的速度。要創(chuàng)建內(nèi)存映射文件，可以通過FileChannel的map()方法實(shí)現(xiàn)：

MappedByteBuffer mappedBuffer = 
fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, fileChannel.size());

接下來，可以像操作普通緩沖區(qū)一樣操作內(nèi)存映射文件：

// 讀取數(shù)據(jù)
byte data = mappedBuffer.get();
// 寫入數(shù)據(jù)
mappedBuffer.put((byte) 42);

文件鎖定

FileChannel還支持文件鎖定功能，可以防止其他進(jìn)程同時修改文件。要鎖定文件，可以調(diào)用fileChannel.lock()方法：

FileLock lock = fileChannel.lock();

解鎖文件時，需要調(diào)用FileLock的release()方法：

lock.release();

關(guān)閉FileChannel

完成文件操作后，需要關(guān)閉FileChannel以釋放底層資源：

fileChannel.close();

通過使用FileChannel和內(nèi)存映射文件，Java NIO提供了高效、靈活的文件操作功能，使得文件I/O處理更加高效。在實(shí)際項(xiàng)目中，這些功能可以與通道、緩沖區(qū)和選擇器等其他組件一起使用，提供強(qiáng)大的I/O處理能力。

Java NIO與Java NIO.2

Java NIO和Java NIO.2都是用于提高I/O性能和靈活性的庫。Java NIO引入了通道、緩沖區(qū)、選擇器等組件，以支持高效、非阻塞的I/O處理。Java NIO.2在Java NIO的基礎(chǔ)上增加了對文件系統(tǒng)的更強(qiáng)大支持，如異步文件I/O、文件系統(tǒng)通知等。本節(jié)將分別介紹Java NIO和Java NIO.2的主要功能。

Java NIO的主要功能

以下是Java NIO庫提供的主要功能：

通道(Channel)：用于在字節(jié)緩沖區(qū)和實(shí)體(如文件、套接字)之間傳輸數(shù)據(jù)的通道。
緩沖區(qū)(Buffer)：提供了對基本數(shù)據(jù)類型的緩沖區(qū)支持，用于存儲和操作數(shù)據(jù)。
選擇器(Selector)：用于處理多個通道的I/O事件，支持單線程處理多個連接。
非阻塞I/O：通過通道和選擇器支持非阻塞I/O操作，提高了I/O處理的效率。
文件操作：支持高效的文件操作，如文件通道(FileChannel)和內(nèi)存映射文件(Memory-Mapped File)。

Java NIO.2的主要功能

Java NIO.2是Java 7中引入的一個新庫，也稱為JSR-203。它在Java NIO的基礎(chǔ)上增加了對文件系統(tǒng)的更強(qiáng)大支持。以下是Java NIO.2提供的主要功能：

異步文件I/O(Asynchronous File I/O)：支持異步地讀取、寫入和處理文件，提高了文件操作的效率。
文件系統(tǒng)API(File System API)：提供了對文件系統(tǒng)的抽象訪問，允許應(yīng)用程序與不同類型的文件系統(tǒng)進(jìn)行交互。
文件屬性和文件權(quán)限：支持訪問和修改文件屬性和文件權(quán)限，提供了更豐富的文件操作功能。
文件系統(tǒng)通知(Watch Service)：允許應(yīng)用程序監(jiān)聽文件系統(tǒng)事件，如文件的創(chuàng)建、修改和刪除等。
符號鏈接和硬鏈接支持：支持創(chuàng)建和操作文件系統(tǒng)中的符號鏈接和硬鏈接。

Java NIO與Java NIO.2的關(guān)系

Java NIO.2是在Java NIO的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。雖然它們都屬于Java的輸入/輸出庫，但Java NIO.2主要關(guān)注文件系統(tǒng)操作的擴(kuò)展和改進(jìn)。Java NIO和Java NIO.2可以一起使用，以提供更強(qiáng)大的I/O處理能力。在實(shí)際項(xiàng)目中，可以根據(jù)需要選擇合適的庫和組件來實(shí)現(xiàn)高性能、靈活的I/O處理。

使用Java NIO構(gòu)建簡單的文件傳輸應(yīng)用

在這個實(shí)戰(zhàn)案例中，我們將演示如何使用Java NIO構(gòu)建一個簡單的文件傳輸應(yīng)用。我們將創(chuàng)建一個基于NIO的服務(wù)器和客戶端，服務(wù)器將接收客戶端發(fā)送的文件并將其保存到本地。

服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)建并配置ServerSocketChannel和Selector

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
Selector selector = Selector.open();
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

事件監(jiān)聽和處理

while (true) {
selector.select();
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey selectedKey = keyIterator.next();
keyIterator.remove();
if (selectedKey.isAcceptable()) {
// 處理連接可接受事件
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) selectedKey.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (selectedKey.isReadable()) {
// 處理可讀事件
SocketChannel client = (SocketChannel) selectedKey.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Path outputPath = Paths.get("received_file.txt");
FileChannel outputChannel = FileChannel.open(outputPath, 
StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE, 
StandardOpenOption.APPEND);
while (client.read(buffer) > 0) {
buffer.flip();
outputChannel.write(buffer);
buffer.clear();
}
outputChannel.close();
client.close();
System.out.println("File received and saved.");
}
}
}

客戶端實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)建并配置SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

發(fā)送文件

while (!socketChannel.finishConnect()) {
// 等待連接完成
}
Path inputFile = Paths.get("file_to_send.txt");
FileChannel inputChannel = FileChannel.open(inputFile, 
StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (inputChannel.read(buffer) > 0) {
buffer.flip();
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
}
inputChannel.close();
socketChannel.close();
System.out.println("File sent.");

在這個實(shí)戰(zhàn)案例中，我們使用Java NIO構(gòu)建了一個簡單的文件傳輸應(yīng)用。服務(wù)器端接收來自客戶端的文件并將其保存到本地。當(dāng)然，這個示例僅用于演示目的，實(shí)際應(yīng)用中可能需要考慮更多細(xì)節(jié)，如錯誤處理、并發(fā)、安全等。