Java NIO API详解 (I)[z]

NIO API主要集中在java.nio和它的subpackages中：

java.nio

定义了Buffer及其数据类型相关的子类。其中被java.nio.channels中的类用来进行IO操作的ByteBuffer的作用非常重要。

 

java.nio.channels

定义了一系列处理IO的Channel接口以及这些接口在文件系统和网络通讯上的实现。通过Selector这个类，还提供了进行异步IO操作的办法。这个包可以说是NIO API的核心。

 

java.nio.channels.spi

定义了可用来实现channel和selector API的抽象类。

 

java.nio.charset

       定义了处理字符编码和解码的类。

 

java.nio.charset.spi

       定义了可用来实现charset API的抽象类。

 

java.nio.channels.spi和java.nio.charset.spi这两个包主要被用来对现有NIO API进行扩展，在实际的使用中，我们一般只和另外的3个包打交道。下面将对这3个包一一介绍。

 

Package java.nio

这个包主要定义了Buffer及其子类。Buffer定义了一个线性存放primitive type数据的容器接口。对于除boolean以外的其他primitive type，都有一个相应的Buffer子类，ByteBuffer是其中最重要的一个子类。

 

下面这张UML类图描述了java.nio中的类的关系：

 

 

Buffer

定义了一个可以线性存放primitive type数据的容器接口。Buffer主要包含了与类型（byte, char…）无关的功能。值得注意的是Buffer及其子类都不是线程安全的。

 

每个Buffer都有以下的属性：

 

capacity

这个Buffer最多能放多少数据。capacity一般在buffer被创建的时候指定。

limit

在Buffer上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到buffer中时，limit一般和capacity相等，当读数据时，limit代表buffer中有效数据的长度。

position

读/写操作的当前下标。当使用buffer的相对位置进行读/写操作时，读/写会从这个下标进行，并在操作完成后，buffer会更新下标的值。

mark

一个临时存放的位置下标。调用mark()会将mark设为当前的position的值，以后调用reset()会将position属性设置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值，如果将position的值设的比mark小，当前的mark值会被抛弃掉。

 

这些属性总是满足以下条件：

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

 

limit和position的值除了通过limit()和position()函数来设置，也可以通过下面这些函数来改变：

 

Buffer clear()

把position设为0，把limit设为capacity，一般在把数据写入Buffer前调用。

Buffer flip()

把limit设为当前position，把position设为0，一般在从Buffer读出数据前调用。

Buffer rewind()

把position设为0，limit不变，一般在把数据重写入Buffer前调用。

 

Buffer对象有可能是只读的，这时，任何对该对象的写操作都会触发一个ReadOnlyBufferException。isReadOnly()方法可以用来判断一个Buffer是否只读。

 

ByteBuffer

在Buffer的子类中，ByteBuffer是一个地位较为特殊的类，因为在java.io.channels中定义的各种channel的IO操作基本上都是围绕ByteBuffer展开的。

 

 

ByteBuffer定义了4个static方法来做创建工作：

 

ByteBuffer allocate(int capacity)

创建一个指定capacity的ByteBuffer。

ByteBuffer allocateDirect(int capacity)

创建一个direct的ByteBuffer，这样的ByteBuffer在参与IO操作时性能会更好（很有可能是在底层的实现使用了DMA技术），相应的，创建和回收direct的ByteBuffer的代价也会高一些。isDirect()方法可以检查一个buffer是否是direct的。

ByteBuffer wrap(byte [] array)

ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)

把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer。

 

ByteBuffer定义了一系列get和put操作来从中读写byte数据，如下面几个：

 

byte get()

ByteBuffer get(byte [] dst)

byte get(int index)

 

ByteBuffer put(byte b)

ByteBuffer put(byte [] src)

ByteBuffer put(int index, byte b)

 

这些操作可分为绝对定位和相对定为两种，相对定位的读写操作依靠position来定位Buffer中的位置，并在操作完成后会更新position的值。

在其它类型的buffer中，也定义了相同的函数来读写数据，唯一不同的就是一些参数和返回值的类型。

 

除了读写byte类型数据的函数，ByteBuffer的一个特别之处是它还定义了读写其它primitive数据的方法，如：

 

int getInt()

       从ByteBuffer中读出一个int值。

ByteBuffer putInt(int value)

       写入一个int值到ByteBuffer中。

 

读写其它类型的数据牵涉到字节序问题，ByteBuffer会按其字节序（大字节序或小字节序）写入或读出一个其它类型的数据（int,long…）。字节序可以用order方法来取得和设置：

 

ByteOrder order()

       返回ByteBuffer的字节序。

ByteBuffer order(ByteOrder bo)

       设置ByteBuffer的字节序。

 

ByteBuffer另一个特别的地方是可以在它的基础上得到其它类型的buffer。如：

 

CharBuffer asCharBuffer()

为当前的ByteBuffer创建一个CharBuffer的视图。在该视图buffer中的读写操作会按照ByteBuffer的字节序作用到ByteBuffer中的数据上。

 

用这类方法创建出来的buffer会从ByteBuffer的position位置开始到limit位置结束，可以看作是这段数据的视图。视图buffer的readOnly属性和direct属性与ByteBuffer的一致，而且也只有通过这种方法，才可以得到其他数据类型的direct buffer。

 

ByteOrder

用来表示ByteBuffer字节序的类，可将其看成java中的enum类型。主要定义了下面几个static方法和属性：

 

ByteOrder BIG_ENDIAN

       代表大字节序的ByteOrder。

ByteOrder LITTLE_ENDIAN

       代表小字节序的ByteOrder。

ByteOrder nativeOrder()

       返回当前硬件平台的字节序。

 

MappedByteBuffer

ByteBuffer的子类，是文件内容在内存中的映射。这个类的实例需要通过FileChannel的map()方法来创建。

 

 

接下来看看一个使用ByteBuffer的例子，这个例子从标准输入不停地读入字符，当读满一行后，将收集的字符写到标准输出：

    public static void main(String [] args) throws IOException {

       // 创建一个capacity为256的ByteBuffer

       ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256);

       while (true) {

           // 从标准输入流读入一个字符

           int c = System.in.read();

           // 当读到输入流结束时，退出循环

           if (c == -1)

              break;          

           // 把读入的字符写入ByteBuffer中

           buf.put((byte) c);

           // 当读完一行时，输出收集的字符

           if (c == '\n') {

              // 调用flip()使limit变为当前的position的值,position变为0,

              // 为接下来从ByteBuffer读取做准备

              buf.flip();

              // 构建一个byte数组

              byte [] content = new byte[buf.limit()];

              // 从ByteBuffer中读取数据到byte数组中

              buf.get(content);

              // 把byte数组的内容写到标准输出

              System.out.print(new String(content));

              // 调用clear()使position变为0,limit变为capacity的值，

              // 为接下来写入数据到ByteBuffer中做准备

              buf.clear();

           }

       }

    }

Package java.nio.channels

这个包定义了Channel的概念，Channel表现了一个可以进行IO操作的通道（比如，通过FileChannel，我们可以对文件进行读写操作）。java.nio.channels包含了文件系统和网络通讯相关的channel类。这个包通过Selector和SelectableChannel这两个类，还定义了一个进行异步（non-blocking）IO操作的API，这对需要高性能IO的应用非常重要。

 

下面这张UML类图描述了java.nio.channels中interface的关系：

 

 

Channel

Channel表现了一个可以进行IO操作的通道，该interface定义了以下方法：

 

boolean isOpen()

       该Channel是否是打开的。

void close()

       关闭这个Channel，相关的资源会被释放。

 

ReadableByteChannel

定义了一个可从中读取byte数据的channel interface。

 

int read(ByteBuffer dst)

从channel中读取byte数据并写到ByteBuffer中。返回读取的byte数。

 

WritableByteChannel

定义了一个可向其写byte数据的channel interface。

 

int write(ByteBuffer src)

       从ByteBuffer中读取byte数据并写到channel中。返回写出的byte数。

 

ByteChannel

ByteChannel并没有定义新的方法，它的作用只是把ReadableByteChannel和WritableByteChannel合并在一起。

 

ScatteringByteChannel

继承了ReadableByteChannel并提供了同时往几个ByteBuffer中写数据的能力。

 

GatheringByteChannel

继承了WritableByteChannel并提供了同时从几个ByteBuffer中读数据的能力。

 

InterruptibleChannel

用来表现一个可以被异步关闭的Channel。这表现在两方面：

1．    当一个InterruptibleChannel的close()方法被调用时，其它block在这个InterruptibleChannel的IO操作上的线程会接收到一个AsynchronousCloseException。

2．    当一个线程block在InterruptibleChannel的IO操作上时，另一个线程调用该线程的interrupt()方法会导致channel被关闭，该线程收到一个ClosedByInterruptException，同时线程的interrupt状态会被设置。

 

 

接下来的这张UML类图描述了java.nio.channels中类的关系：

 

 

异步IO

异步IO的支持可以算是NIO API中最重要的功能，异步IO允许应用程序同时监控多个channel以提高性能，这一功能是通过Selector，SelectableChannel和SelectionKey这3个类来实现的。

 

SelectableChannel代表了可以支持异步IO操作的channel，可以将其注册在Selector上，这种注册的关系由SelectionKey这个类来表现（见UML图）。Selector这个类通过select()函数，给应用程序提供了一个可以同时监控多个IO channel的方法：

 

应用程序通过调用select()函数，让Selector监控注册在其上的多个SelectableChannel，当有channel的IO操作可以进行时，select()方法就会返回以让应用程序检查channel的状态，并作相应的处理。 

下面是JDK 1.4中异步IO的一个例子，这段code使用了异步IO实现了一个time server：

   private static void acceptConnections(int port) throws Exception {

       // 打开一个Selector

       Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();


       // 创建一个ServerSocketChannel，这是一个SelectableChannel的子类

       ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

       // 将其设为non-blocking状态，这样才能进行异步IO操作

       ssc.configureBlocking(false);


       // 给ServerSocketChannel对应的socket绑定IP和端口

       InetAddress lh = InetAddress.getLocalHost();

       InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(lh, port);

       ssc.socket().bind(isa);


       // 将ServerSocketChannel注册到Selector上，返回对应的SelectionKey

       SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);


       int keysAdded = 0;


       // 用select()函数来监控注册在Selector上的SelectableChannel

       // 返回值代表了有多少channel可以进行IO操作 (ready for IO)

       while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {

           // selectedKeys()返回一个SelectionKey的集合，

           // 其中每个SelectionKey代表了一个可以进行IO操作的channel。

           // 一个ServerSocketChannel可以进行IO操作意味着有新的TCP连接连入了

           Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();

           Iterator i = readyKeys.iterator();


           while (i.hasNext()) {

              SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();

              // 需要将处理过的key从selectedKeys这个集合中删除

              i.remove();

              // 从SelectionKey得到对应的channel

              ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel) sk.channel();

              // 接受新的TCP连接

              Socket s = nextReady.accept().socket();

              // 把当前的时间写到这个新的TCP连接中

              PrintWriter out = new PrintWriter(s.getOutputStream(), true);

              Date now = new Date();

              out.println(now);

              // 关闭连接

              out.close();

           }

       }

    }

 

 

这是个纯粹用于演示的例子，因为只有一个ServerSocketChannel需要监控，所以其实并不真的需要使用到异步IO。不过正因为它的简单，可以很容易地看清楚异步IO是如何工作的。