0x6 Java系列：Java NIO？看这一篇就够了！【二】

四、TCP服务端的NIO写法

到目前为止，所举的案例中都没有涉及Selector。不要急，好东西要慢慢来。Selector类可以用于避免使用阻塞式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。例如，考虑一个IM服务器。像QQ或者旺旺这样的，可能有几万甚至几千万个客户端同时连接到了服务器，但在任何时刻都只是非常少量的消息。

需要读取和分发。这就需要一种方法阻塞等待，直到至少有一个信道可以进行I/O操作，并指出是哪个信道。NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。用专业术语来说，选择器就是一个多路开关选择器，因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。然而如果用传统的方式来处理这么多客户端，使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作，如果当前客户端有I/O操作，则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理，如果没有I/O操作则进行下一个轮询，当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询；这种方法是非常笨而且也非常浪费资源，因为大部分客户端是没有I/O操作，我们也要去检查；而Selector就不一样了，它在内部可以同时管理多个I/O，当一个信道有I/O操作的时候，他会通知Selector，Selector就是记住这个信道有I/O操作，并且知道是何种I/O操作，是读呢？是写呢？还是接受新的连接；所以如果使用Selector，它返回的结果只有两种结果，一种是0，即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作，另一种结果是一组需要I/O操作的客户端，这时你就根本不需要再检查了，因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多！

要使用选择器（Selector），需要创建一个Selector实例（使用静态工厂方法open()）并将其注册（register）到想要监控的信道上（注意，这要通过channel的方法实现，而不是使用selector的方法）。最后，调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待，直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在，在一个单独的线程中，通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好，select()方法就会返回0，并允许程序继续执行其他任务。

下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式（案例5）：

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

下面来慢慢讲解这段代码。

ServerSocketChannel

打开ServerSocketChannel：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

关闭ServerSocketChannel：

serverSocketChannel.close();

监听新进来的连接：

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.如：

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        while (true)
        {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel != null)
            {
                // do something with socketChannel...
            }
        }

Selector

Selector的创建：Selector selector = Selector.open();

为了将Channel和Selector配合使用，必须将Channel注册到Selector上，通过SelectableChannel.register()方法来实现，沿用案例5中的部分代码：

            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

SelectionKey

当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

·   interest集合

·   ready集合

·   Channel

·   Selector

·   附加的对象（可选）

interest集合：就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

·   int select()

·   int select(long timeout)

·   int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当向Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

五、内存映射文件

JAVA处理大文件，一般用BufferedReader,BufferedInputStream这类带缓冲的IO类，不过如果文件超大的话，更快的方式是采用MappedByteBuffer。

MappedByteBuffer是NIO引入的文件内存映射方案，读写性能极高。NIO最主要的就是实现了对异步操作的支持。其中一种通过把一个套接字通道(SocketChannel)注册到一个选择器(Selector)中,不时调用后者的选择(select)方法就能返回满足的选择键(SelectionKey),键中包含了SOCKET事件信息。这就是select模型。

SocketChannel的读写是通过一个类叫ByteBuffer来操作的.这个类本身的设计是不错的,比直接操作byte[]方便多了. ByteBuffer有两种模式:直接/间接.间接模式最典型(也只有这么一种)的就是HeapByteBuffer,即操作堆内存(byte[]).但是内存毕竟有限,如果我要发送一个1G的文件怎么办?不可能真的去分配1G的内存.这时就必须使用"直接"模式,即MappedByteBuffer,文件映射.

先中断一下,谈谈操作系统的内存管理.一般操作系统的内存分两部分:物理内存;虚拟内存.虚拟内存一般使用的是页面映像文件,即硬盘中的某个(某些)特殊的文件.操作系统负责页面文件内容的读写,这个过程叫"页面中断/切换". MappedByteBuffer也是类似的,你可以把整个文件(不管文件有多大)看成是一个ByteBuffer.MappedByteBuffer 只是一种特殊的ByteBuffer，即是ByteBuffer的子类。MappedByteBuffer 将文件直接映射到内存（这里的内存指的是虚拟内存，并不是物理内存）。通常，可以映射整个文件，如果文件比较大的话可以分段进行映射，只要指定文件的那个部分就可以。

概念

FileChannel提供了map方法来把文件影射为内存映像文件：MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为内存映像文件，mode指出了可访问该内存映像文件的方式：

·   READ_ONLY,（只读）：试图修改得到的缓冲区将导致抛出ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)

·   READ_WRITE（读/写）：对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。(MapMode.READ_WRITE)

·   PRIVATE（专用）：对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。(MapMode.PRIVATE)

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子类，其扩充了三个方法：

·   force()：缓冲区是READ_WRITE模式下，此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件；

·   load()：将缓冲区的内容载入内存，并返回该缓冲区的引用；

·   isLoaded()：如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回真，否则返回假；

案例对比

这里通过采用ByteBuffer和MappedByteBuffer分别读取大小约为5M的文件"src/1.ppt"来比较两者之间的区别，method3()是采用MappedByteBuffer读取的，method4()对应的是ByteBuffer。

    public static void method4(){
        RandomAccessFile aFile = null;
        FileChannel fc = null;
        try{
            aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
            fc = aFile.getChannel();
            long timeBegin = System.currentTimeMillis();
            ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate((int) aFile.length());
            buff.clear();
            fc.read(buff);
            //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2-1)));
            //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)));
            //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)+1));
            long timeEnd = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(aFile!=null){
                    aFile.close();
                }
                if(fc!=null){
                    fc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void method3(){
        RandomAccessFile aFile = null;
        FileChannel fc = null;
        try{
            aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
            fc = aFile.getChannel();
            long timeBegin = System.currentTimeMillis();
            MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, aFile.length());
            // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2-1)));
            // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)));
            //System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)+1));
            long timeEnd = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(aFile!=null){
                    aFile.close();
                }
                if(fc!=null){
                    fc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

通过在入口函数main()中运行：

        method3();
        System.out.println("=============");
        method4();

输出结果（运行在普通PC机上）：

Read time: 2ms
=============
Read time: 12ms

通过输出结果可以看出彼此的差别，一个例子也许是偶然，那么下面把5M大小的文件替换为200M的文件，输出结果：

Read time: 1ms
=============
Read time: 407ms

可以看到差距拉大。

注：MappedByteBuffer有资源释放的问题：被MappedByteBuffer打开的文件只有在垃圾收集时才会被关闭，而这个点是不确定的。在Javadoc中这里描述：A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remian valid until the buffer itself is garbage-collected。详细可以翻阅参考资料5和6.

六、其余功能介绍

看完以上陈述，详细大家对NIO有了一定的了解，下面主要通过几个案例，来说明NIO的其余功能，下面代码量偏多，功能性讲述偏少。

Scatter/Gatter

分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。

聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

案例：

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class ScattingAndGather
{
    public static void main(String args[]){
        gather();
    }
    public static void gather()
    {
        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(10);
        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);
        byte [] b1 = {'0', '1'};
        byte [] b2 = {'2', '3'};
        header.put(b1);
        body.put(b2);
        ByteBuffer [] buffs = {header, body};
        try
        {
            FileOutputStream os = new FileOutputStream("src/scattingAndGather.txt");
            FileChannel channel = os.getChannel();
            channel.write(buffs);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

transferFrom & transferTo

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。

    public static void method1(){
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try
        {
            fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.xml","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println(count);
            toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(fromFile != null){
                    fromFile.close();
                }
                if(toFile != null){
                    toFile.close();
                }
            }
            catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据，count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于count 个字节，则所传输的字节数要小于请求的字节数。此外要注意，在SoketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。因此，SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中。

    public static void method2()
    {
        RandomAccessFile fromFile = null;
        RandomAccessFile toFile = null;
        try
        {
            fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.txt","rw");
            FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
            toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
            FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
            long position = 0;
            long count = fromChannel.size();
            System.out.println(count);
            fromChannel.transferTo(position, count,toChannel);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally{
            try{
                if(fromFile != null){
                    fromFile.close();
                }
                if(toFile != null){
                    toFile.close();
                }
            }
            catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

上面所说的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中同样存在。SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。

Pipe

Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

    public static void method1(){
        Pipe pipe = null;
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
        try{
            pipe = Pipe.open();
            final Pipe pipeTemp = pipe;
            exec.submit(new Callable<Object>(){
                @Override
                public Object call() throws Exception
                {
                    Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipeTemp.sink();//向通道中写数据
                    while(true){
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        String newData = "Pipe Test At Time "+System.currentTimeMillis();
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        buf.put(newData.getBytes());
                        buf.flip();
                        while(buf.hasRemaining()){
                            System.out.println(buf);
                            sinkChannel.write(buf);
                        }
                    }
                }
            });
            exec.submit(new Callable<Object>(){
                @Override
                public Object call() throws Exception
                {
                    Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipeTemp.source();//向通道中读数据
                    while(true){
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        buf.clear();
                        int bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                        System.out.println("bytesRead="+bytesRead);
                        while(bytesRead >0 ){
                            buf.flip();
                            byte b[] = new byte[bytesRead];
                            int i=0;
                            while(buf.hasRemaining()){
                                b[i]=buf.get();
                                System.out.printf("%X",b[i]);
                                i++;
                            }
                            String s = new String(b);
                            System.out.println("=================||"+s);
                            bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                        }
                    }
                }
            });
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            exec.shutdown();
        }
    }

DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

    public static void  reveive(){
        DatagramChannel channel = null;
        try{
            channel = DatagramChannel.open();
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            channel.receive(buf);
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(channel!=null){
                    channel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void send(){
        DatagramChannel channel = null;
        try{
            channel = DatagramChannel.open();
            String info = "I'm the Sender!";
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            buf.clear();
            buf.put(info.getBytes());
            buf.flip();
            int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("10.10.195.115",8888));
            System.out.println(bytesSent);
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(channel!=null){
                    channel.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

原创作者：朱小厮