Java中IO——NIO

一、引入

当引入一些新功能的时候，那说明之前的设计可能还需要完善。

1、阻塞式

在传统的IO输入输出中，如果我们从流中去读数据，而数据源中没有数据时，程序就会阻塞该线程。阻塞式线程的一种基本状态，可以理解成线程就在那里等着，什么也不做。

显然，这种阻塞式的io如果正常执行还好，一旦数据缺失或网络故障，就没什么优点可言了。

2、效率不高

传统IO的介绍中，我们把流比作水管中的水滴，读和写操作都在操作“水滴”，而且一次只能操作一个“水滴”（字节），效率确实有限。

因此，java4引入了NIO来完善这些地方。

二、重要特性

NIO可以理解成New IO，百科上说是Non-Blocking非阻塞式IO，这个名字就比较直白了。当然，除了非阻塞的优点，他还有别的特性。

内存映射

NIO也是为了解决输入输出的问题，由于传统方法效率不高，NIO采用了内存映射的方式来提高效率。具体通过Channel对象来体现。

Channel通道是模拟的传统IO，可以通过它读取和写入数据。它不同之处在于提供了map()方法，可以直接将一块数据映射到内存。

标准访问：



内存映射：



另外，通道是双向的，而流式单向的。通道可以用于读、写或同时读写。

缓冲支持

传统IO是面向流的，NIO是面向缓冲的。

Buffer是一个数组容器，发送到Channel的对象都必须先放到Buffer中，而从Channel中读取的数据也必须先放到Buffer中。简单的说，Buffer类似Channel对外交互的一个中介，如果Channel的读写都不通过Buffer了，那缓冲也没什么意义了。



Buffer是一个抽象类，子类包括了基本数据类型的对应类：ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer等。

常用变量：

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
//可选的标记
private int mark = -1;
//位置
private int position = 0;
//界限
private int limit;
//容量
private int capacity;

//构造函数
// Creates a new buffer with the given mark, position, limit, and capacity,
// after checking invariants.
//
Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {       // package-private
if (cap < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);
this.capacity = cap;
limit(lim);
position(pos);
if (mark >= 0) {
if (mark > pos)
throw new IllegalArgumentException("mark > position: ("
+ mark + " > " + pos + ")");
this.mark = mark;
}
}

其中，这几个变量的关系如下所示：



重要方法：

/**
* Flips this buffer.  The limit is set to the current position and then
* the position is set to zero.  If the mark is defined then it is
* discarded.
*
* <p> After a sequence of channel-read or <i>put</i> operations, invoke
* this method to prepare for a sequence of channel-write or relative
* <i>get</i> operations.  For example:
*
*/
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

flip()方法将limit放在position的位置，然后将position的值设为0，mark恢复初始化值-1，可参考上面的图。此时这三个变量都已经恢复初值，Buffer的读写指针回到了开始位置。装入数据结束后调用该方法，为输出数据做好了准备。

/**
* Clears this buffer.  The position is set to zero, the limit is set to
* the capacity, and the mark is discarded.
*
*/
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}

clear()不是清除数据内容，将容量capacity值赋给了limit。在输出数据结束后，调用clear，为再次向Buffer装入数据做准备。

单线程处理

NIO中使用单个线程来处理多个Channel，这样一来，不会因为线程间的上下文切换付出大量的开销，不需要考虑共享资源的问题。一个线程可以管理多个网络连接。具体的实现是Selector。

Selector选择器的工作原理：首先向Selector中注册Channel，然后Selector就可以检测到一个或多个NIO通道，并且能够了解每个通道是否已经做好准备进行读写。

是不是有点类似观察者模式、监听的赶脚( ⊙ o ⊙ )！

说了这么多，这里也可以通过对比图来学习。

图一：old io



图二：nio

三、小结

本篇博客通过对比新旧IO，来介绍了NIO几大特性。侧重原理的理解，读者可再找些小demo练习一下。

NIO中主要强调的是non-blocking非阻塞io（即非bio），在java7之后推出了NIO.2，增加了异步IO的实现（即aio）。两者结合非阻塞异步io，差不多就完美了。(^o^)/~