ITPub博客

首页 > Linux操作系统 > Linux操作系统 > JAVA NIO基础

JAVA NIO基础

原创 Linux操作系统 作者:chenzhong 时间:2012-01-17 20:30:30 0 删除 编辑

1. 基本概念

IO是主存和外部设备(硬盘、终端和网络等)拷贝数据的过程。IO是操作系统的底层功能实现,底层通过I/O指令进行完成。

所有语言运行时系统提供执行I/O较高级别的工具。(cprintf scanf,java的面向对象封装)

2. Java 标准io回顾

Java标准IO类库是io面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。 InputStream\OutputStream(字节流):一次传送一个字节。 Reader\Writer(字符流):一次一个字符。

3. nio简介

niojava New IO的简称,在jdk1.4里提供的新apiSun官方标榜的特性如下:

为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持。

字符集编码解码解决方案。

Channel:一个新的原始I/O抽象。

支持锁和内存映射文件的文件访问接口。

提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸缩性网络I/O

本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。

4. Buffer&Chanel

ChannelbufferNIO是两个最基本的数据类型抽象。

Buffer:

是一块连续的内存块。

NIO数据读或写的中转地。

Channel:

数据的源头或者数据的目的地

用于向buffer提供数据或者读取buffer数据,buffer对象的唯一接口。

异步I/O支持

图1:channel和buffer关系

例子1:CopyFile.java:

package sample;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class CopyFile {
 public static void main(String[] args) throws Exception {
  String infile = "C:\\copy.sql";
  String utfile = "C:\\copy.txt";
  // 获取源文件和目标文件的输入输出流
  FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
  FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
  // 获取输入输出通道
  FileChannel fcin = fin.getChannel();
  FileChannel fcout = fout.getChannel();
  // 创建缓冲区
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  while (true) {
   // clear方法重设缓冲区,使它可以接受读入的数据
   buffer.clear();
   // 从输入通道中将数据读到缓冲区
   int r = fcin.read(buffer);
   // read方法返回读取的字节数,可能为零,如果该通道已到达流的末尾,则返回-1
   if (r == -1) {
    break;
   }
   // flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
   buffer.flip();
   // 从输出通道中将数据写入缓冲区
   fcout.write(buffer);
  }
 }
}

其中buffer内部结构如下(下图拷贝自资料):

图2:buffer内部结构

一个buffer主要由position,limit,capacity三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格:

 

参数

写模式

读模式

position

当前写入的单位数据数量。

当前读取的单位数据位置。

limit

代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。

代表最多能读多少单位数据,和之前写入的单位数据量一致。

capacity

buffer容量

buffer容量

 

Buffer常见方法:

flip():写模式转换成读模式

rewind():将position重置为0,一般用于重复读。

clear():清空buffer,准备再次被写入(position变成0limit变成capacity)

compact():将未读取的数据拷贝到buffer的头部位。

mark()reset():mark可以标记一个位置,reset可以重置到该位置。

Buffer常见类型:ByteBuffer MappedByteBuffer CharBuffer DoubleBuffer FloatBuffer IntBuffer LongBuffer ShortBuffer

channel常见类型:FileChannelDatagramChannel(UDP)SocketChannel(TCP)ServerSocketChannel(TCP)

在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。(具体代码可以见附件。见nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是参考数据:

场景1 Copy一个370M的文件

场景2: 三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个370M文件

场景

FileInputStream+

FileOutputStream

FileInputStream+

BufferedInputStream+

FileOutputStream

ByteBuffer+

FileChannel

MappedByteBuffer

+FileChannel

场景一时间(毫秒)

25155

17500

19000

16500

场景二时间(毫秒)

69000

67031

74031

71016

5. nio.charset

字符编码解码:字节码本身只是一些数字,放到正确的上下文中被正确被解析。向ByteBuffer中存放数据时需要考虑字符集的编码方式,读取展示ByteBuffer数据时涉及对字符集解码。

Java.nio.charset提供了编码解码一套解决方案。

以我们最常见的http请求为例,在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。

以下代码向baidu发一次请求,并获取结果进行显示。例子演示到了charset的使用。

例子2BaiduReader.java

 

package nio.readpage;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
 private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建GBK字符集
 private SocketChannel channel;
 public void readHTMLContent() {
  try {
   InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(
"www.baidu.com", 80);
//step1:打开连接
   channel = SocketChannel.open(socketAddress);
  //step2:发送请求,使用GBK编码
   channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
   //step3:读取数据
   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
   }
  } catch (IOException e) {
   System.err.println(e.toString());
  } finally {
   if (channel != null) {
    try {
     channel.close();
    } catch (IOException e) {
    }
   }
  }
 }
 public static void main(String[] args) {
  new BaiduReader().readHTMLContent();
 }
}

6. 非阻塞 IO

关于非阻塞IO将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心API几个方面来理解。

何为阻塞?

一个常见的网络IO通讯流程如下:



图3:网络通讯基本过程

从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞:

在以上过程中若连接还没到来,那么accept会阻塞,程序运行到这里不得不挂起,CPU转而执行其他线程。

在以上过程中若数据还没准备好,read会一样也会阻塞。

阻塞式网络IO的特点:多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间。每个线程遇到外部为准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该cpu不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞?

下面有个隐喻:

一辆从A开往B的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?

1.司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。(类似阻塞式)

2.每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。 (类似非阻塞)

很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是CPU。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客(线程)都在睡觉(休眠),只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务,通过任务间协作完成。

由一个专门的线程来处理所有的IO事件,并负责分发。

事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。

线程通讯:线程之间通过wait,notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

以下是异步IO的结构:



图4:非阻塞基本原理

Reactor就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。

异步IO核心API

Selector

异步IO的核心类,它能检测一个或多个通道(channel)上的事件,并将事件分发出去。

使用一个select线程就能监听多个通道上的事件,并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个channel去分配一个线程。

SelectionKey

包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。

例子1单线程实现监听两个端口。(nio.asyn包下面的例子。)

例子2 NIO线程协作实现资源合理利用。(wait,notify)(nio.asyn.multithread下的例子)

 

 

 

 

来自 “ ITPUB博客 ” ,链接:http://blog.itpub.net/11863799/viewspace-715038/,如需转载,请注明出处,否则将追究法律责任。

请登录后发表评论 登录
全部评论

注册时间:2012-01-08

  • 博文量
    6
  • 访问量
    2991