java基础之NIO介绍及使用
作者：[1-9]\\d*(.\\d{1,2})? 发布时间：2022-06-07 11:30:14
标签：Java,NIO
一、NIO
java.nio全称java non-blocking IO，是指jdk1.4 及以上版本里提供的新api（New IO） ，为所有的原始类型（boolean类型除外）提供缓存支持的数据容器，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
二、三大组件
NIO三大组件：Channel、Buffer、Selector
1.Channel 和Buffer
Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。拿 NIO 与原来的 I/O 做个比较，通道就像是流，而且他们面向缓冲区（Buffer）的。所有数据都通过Buffer对象来处理，永远不会将字节直接写入通道中，而是将数据写入包含一个或多个字节的缓冲区。也不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。
Channel是读写数据的双向通道，可以从Channel将数据读取Buffer,也可将Buffer的数据写入Channel，而之前的Stream要么是输入（InputStream）、要么是输出（OutputStream），只在一个方向上流通。 而通道（Channel）可以用于读、写或者同时用于读写
常见的Channel
1.FileChannel
2.DatagramChannel
3.SocketChannel
4.ServerSocketChannel
Buffer缓冲区用来读写数据，常见的Buffer
1.ByteBuffer
2.ShortBuffer
3.IntBuffer
4.LongBuffer
5.FloatBuffer
6.DoubleBuffer
7.CharBuffer
2.Selector
在多线程模式下，阻塞IO时，一个线程只能处理一个请求，比如http请求，当请求响应式关闭连接，释放线程资源。Selector选择器的作用就是配合一个线程来管理多个Channel，获取这些Channel上发生的事件，这些Channel工作在非阻塞模式下，不会让线程一直在一个Channel上，适合连接数特别多，但流量低的场景。
调用Selector的select()方法会阻塞直到Channel发送了读写就绪事件，这些事件发生，select()方法就会
返回这些事件交给thread来处理。
三、ByteBuffer的使用
属性：
Buffer的读写操作就是通过改变position，mark，limit的值来实现。注意他们之间的关系可以很轻松的读、写、覆盖。
position：对于写入模式，表示当前可写入数据的下标，对于读取模式，表示接下来可以读取的数据的下标。当前操作位置的下标。position()方法获取。
mark：用来标志当前操作位置，调用mark()方法，使mark = position，可以在读和写切换过程中标记前一个操作下标位置。
limit：Buffer的限界值。对于写模式，相当于可写入的最大值，数组长度。对于读模式，表示最多可以读取的数据的位置下标，通过flip()方法进行读写切换，原理改变position，mark，limit的值。
capacity：数组容量大小
方法：
Buffer的方法全是根据改变position的值进行操作的。
put()：put方法写入数据，可以单个byte字节，或者byte数组。或者其它类型，根据Buffer实例而定。
get()：get方法读取数据，可以传入byte数组和不传参读取一个字节。
mark()：标记当前下标position位置，mark = position 。读写操作切换或者特殊要求时，标记当前的下标位置。
reset()：将position 值重置为mark()方法标记的值。
array()：Buffer内数据的byte数组。没有值的位用0补位。
flip()：limit为position值，将position置为0，mark初始值，写入操作切换为读操作。
rewind()：将position 和 mark设为初始值，调用这个可以一直读取内容或者一直写入覆盖之前内容，从第一位开始读/写。
clear()：将属性值还原。之前array()数组的值还在。
hasRemaining()：判断是否到最后
四、测试Demo
private static void buffer1() {
String data = "abc";
//byte[] bytes = new byte[1024];
//创建一个字节缓冲区，1024byte
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(15);
System.out.println(byteBuffer.toString());
// 标记当前下标position位置，mark = position ,返回当前对象
System.out.println(byteBuffer.mark());
//对于写入模式，表示当前可以写入的数组大小，默认为数组的最大长度，对于读取模式，表示当前最多可以读取的数据的位置下标
System.out.println(byteBuffer.limit());
// 对于写入模式，表示当前可写入数据的下标，对于读取模式，表示接下来可以读取的数据的下标
System.out.println(byteBuffer.position());
//capacity 表示当前数组的容量大小
System.out.println(byteBuffer.capacity());
//将字节数据写入 byteBuffer
byteBuffer.put(data.getBytes());
//保存了当前写入的数据
for(Byte b : byteBuffer.array()){
System.out.print(b + " ");
}
System.out.println();
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
//读写模式切换 改变 limit，position ，mark的值
byteBuffer.flip();
//切换为写模式，将第一个字节覆盖
byteBuffer.put("n".getBytes()); // abc 改为 nbc
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
//让position为之前标记的值，调用mark()方法是将mark = position，这里将position = mark，mark为初始值抛出异常
byteBuffer.mark();
byteBuffer.reset();
//将position 和 mark设为初始值，调用这个可以一直读取内容或者一直写入覆盖之前内容，从第一位开始读/写
byteBuffer.rewind();
for(Byte b : byteBuffer.array()){
System.out.print(b + " ");
}
System.out.println();
System.out.println(byteBuffer.toString());
//找到可写入的开始位置，不覆盖之前的数据
byteBuffer.compact();
System.out.println(byteBuffer.toString());
}
写入读取完整操作
private static void buffer(){
//写入的数据
String data = "1234";
//创建一个字节缓冲区，1024byte
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(15);
//写入数据
byteBuffer.put(data.getBytes());
//打输出 49 50 51 52 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
println(byteBuffer.array());
byteBuffer.put((byte) 5);
//追加写入 输出： 49 50 51 52 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
println(byteBuffer.array());
//覆盖写入
byteBuffer.flip(); //将写入下标的 position = 0
byteBuffer.put((byte) 1);
byteBuffer.put((byte) 2);
byteBuffer.put((byte) 3);
byteBuffer.put((byte) 4);
byteBuffer.put((byte) 5);
// 打印输出 ： 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
println(byteBuffer.array());
//读取数据操作
byteBuffer.flip();//从头开始读
while (byteBuffer.position() != byteBuffer.limit()){
System.out.println(byteBuffer.get());
}
//此时 position 和 数据数 limit相等
System.out.println(byteBuffer.toString());
//批量读取
byteBuffer.flip(); //将 position 置位0，从头开始操作
//创建一个byte数组，数组大小为可读取的大小
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes);
//输出bytes 1 2 3 4 5
println(bytes);
}
private static void println(byte[] bytes){
for(Byte b : bytes){
System.out.print(b + " ");
}
System.out.println();
}
字符串跟ByteBuffer之间的转换
public static void main(String[] args) {
/*======================字符串转buffer===========================*/
//1.字符串 转为buytebuffer 需要转为读模式再进行读取操作
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("nio".getBytes());
//2.charset 自动转为读模式
ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("nio");
//3, warp 自动转为读模式
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.wrap("nio".getBytes());
/*======================buffer转字符串===========================*/
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
System.out.println(str);
}
五、Channel的使用
文件编程FileChannel
FileChannel只能工作在阻塞模式下，不能配合在Selector使用，Channel是双向通道，但是FileChannel根据获取源头判定可读或可写
FileInputStream获取，只可读
FileOutputStream获取，只可写
RandomAccessFile获取，可读、可写（双向通道）
**
* 文件流对象打开Channel，FileChannel是阻塞的
* @throws Exception
*/
private static void channel() throws Exception{
FileInputStream in = new FileInputStream("C:\\Users\\zqq\\Desktop\\123.txt");
FileOutputStream out = new FileOutputStream("C:\\Users\\zqq\\Desktop\\321.txt");
//通过文件输入流创建通道channel
FileChannel channel = in.getChannel();
//获取FileChannel
FileChannel outChannel = out.getChannel();
//创建缓冲区byteBuffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//将管道channel中数据读取缓存区byteBuffer中，channel只能与Buffer交互
while (channel.read(byteBuffer) != -1){
//position设置为0，从头开始读
byteBuffer.flip();
outChannel.write(byteBuffer);
//byteBuffer 属性还原
byteBuffer.clear();
}
//关闭各种资源
channel.close();
out.flush();
out.close();
in.close();
out.close();
}
/**
* 静态方法打开Channel
* @throws Exception
*/
public static void channel1() throws Exception{
// StandardOpenOption.READ ：读取一个已存在的文件，如果不存在或被占用抛出异常
// StandardOpenOption.WRITE ：以追加到文件头部的方式，写入一个已存在的文件，如果不存在或被占用抛出异常
// StandardOpenOption.APPEND：以追加到文件尾部的方式，写入一个已存在的文件，如果不存在或被占用抛出异常
// StandardOpenOption.CREATE：创建一个空文件，如果文件存在则不创建
// StandardOpenOption.CREATE_NEW：创建一个空文件，如果文件存在则报错
// StandardOpenOption.DELETE_ON_CLOSE：管道关闭时删除文件
//创建读通道
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\Users\\zqq\\Desktop\\123.txt"), StandardOpenOption.READ);
FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("C:\\Users\\zqq\\Desktop\\321.txt"),
StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
//内存映射
MappedByteBuffer inByteBuffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0,inChannel.size());
MappedByteBuffer outByteBuffer = outChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0,inChannel.size());
//直接对缓冲区数据读写
byte[] bytes = new byte[inByteBuffer.limit()];
inByteBuffer.get(bytes);//读取inByteBuffer内的数据,读到bytes数组中
outByteBuffer.put(bytes);//写入到outByteBuffer
inChannel.close();
outChannel.close();
}
RandomAccessFile打开通道Channel
/**
* 通过RandomAccessFile获取双向通道
* @throws Exception
*/
private static void random() throws Exception{
try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("D:\\workspace\\Demo\\test.txt","rw")){
//获取Channel
FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();
//截取字节
//fileChannel.truncate(10);
//创建ByteBuffer，注意文件大小
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
fileChannel.read(byteBuffer);
System.out.println(new String(byteBuffer.array(),"GBK"));
byteBuffer.clear();
String data = "this is data\r";
byteBuffer.put(data.getBytes());
byteBuffer.flip();//读写切换
while (byteBuffer.hasRemaining()){
fileChannel.write(byteBuffer);
}
//将通道数据强制写到磁盘
fileChannel.force(true);
}
}
FileChannel数据传输transferTo
/**
* 一个文件向另一个文件传输（copy）
*/
private static void transferTo() {
try (
FileChannel inChannel = new FileInputStream("C:\\Users\\44141\\Desktop\\demo\\in.txt").getChannel();
FileChannel outChannel = new FileOutputStream("C:\\Users\\44141\\Desktop\\demo\\out.txt").getChannel()
){
//底层使用操作系统零拷贝进行优化，效率高。限制2g
inChannel.transferTo(0,inChannel.size(),outChannel);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 大于2g数据
*/
private static void transferToGt2g() {
try (
FileChannel inChannel = new FileInputStream("C:\\Users\\44141\\Desktop\\demo\\in.txt").getChannel();
FileChannel outChannel = new FileOutputStream("C:\\Users\\44141\\Desktop\\demo\\out1.txt").getChannel()
){
//记录inChannel初始化大小
long size = inChannel.size();
//多次传输
for(long rsize = size; rsize > 0;){
//transferTo返回位移的字节数
rsize -= inChannel.transferTo((size-rsize),rsize,outChannel);
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
六、网络编程
阻塞模式
阻塞模式服务端每个方法都会阻塞等待客户端操作。比如accept()方法阻塞等待客户端连接，read()方法阻塞等待客户端传送数据，并发访问下没法高效的进行工作。
1.服务端代码
private static void server() throws Exception{
//1.创建服务器
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//2.绑定监听端口
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true){
System.out.println("开始监听连接=============" );
//4.accept 监听进来的连接 返回SocketChannel对象,accept默认阻塞
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
System.out.println("有连接连入===============" );
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// read()是阻塞方法，等客户端发送数据才会执行
socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer).toString();
System.out.println("接收到数据=============：" + str);
}
}
2.客户端代码
private static void client() throws Exception {
//1.创建客户端
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
//2 秒后写入数据
Thread.sleep(2 * 1000);
socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("nio"));
System.out.println();
}
非阻塞模式
服务端设置成非阻塞模式。客户端不用动。
private static void server() throws Exception{
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//设置成非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true){
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
//非阻塞模式下，SocketChannel会返回为null
if(socketChannel != null){
//非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer).toString();
System.out.println("接收到数据=============：" + str);
}
}
}
七、Selector
Selector选择器的作用就是配合一个线程来管理多个Channel，被Selector管理的Channel必须是非阻塞模式下的，所以Selector没法与FileChannel（FileChannel只有阻塞模式）一起使用。
创建Selector
创建Selector只需要调用一个静态方法
//创建Selector
Selector selector = Selector.open();
Selector可以用来监听Channel的事件，总共有四个事件：
accept：会在有连接请求时触发，静态常量 SelectionKey.OP_ACCEPT
connect：客户端建立连接后触发，静态常量 SelectionKey.OP_CONNECT
read：可读时触发，静态常量 SelectionKey.OP_READ
write：可写时触发，静态常量 SelectionKey.OP_WRITE
Selector与Channel绑定
//设置成非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector,0,null);
//绑定关注的事件
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
八、网络编程（多路复用）
1.客户端代码 SocketChannel
public static void main(String[] args) throws Exception {
client();
}
private static void client() throws Exception {
//1.创建客户端
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//连接服务端
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
//2 秒后写入数据
Thread.sleep(2 * 1000);
socketChannel.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("nio"));
//3.读取服务端返回数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
System.out.println("服务端返回数据=======：" + StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer).toString());
//断开连接
socketChannel.close();
}
2.服务端代码
public static void main(String[] args) throws Exception{
server();
}
private static void server() throws Exception{
//创建Selector
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//设置成非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//将Channel注册到selector上（绑定关系）
//当事件发生后可以根据SelectionKey知道哪个事件和哪个Channel的事件
SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector,0,null);
//selectionKey 关注ACCEPT事件（也可以在上面注册时用第二个参数设置）
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true){
System.out.println("阻塞====================");
// select方法没有事件发生时阻塞线程，有事件线程会恢复运行
selector.select();
System.out.println("开始处理事件=================");
// 处理事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey sk = iterator.next();
//获取到SelectionKey对象之后，将集合内的引用删掉（Selecotr不会自动删除）
iterator.remove();
//取消事件，不操作（不处理或者不取消事件，selector.select()方法不会阻塞）
//sk.cancel();
//区分不同的事件做不同的动作
if(sk.isAcceptable()){ //有连接请求事件
//通过SelectionKey 获取对应的channel
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) sk.channel();
SocketChannel socketChannel = channel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
//读取数据内容,bytebuffer大小注意消息边界（一个字符串被分割读取多次出来结果不准确）
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//将socketChannel绑定Selector
SelectionKey socketKey = socketChannel.register(selector,0,byteBuffer);
//关注可读事件
socketKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}else if(sk.isReadable()){//可读事件
try {
//取到Channel
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) sk.channel();
//获取到绑定的ByteBuffer
ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) sk.attachment();
int read = socketChannel.read(byteBuffer);
//如果是正常断开 read = -1
if(read == -1){
//取消事件
sk.cancel();
continue;
}
byteBuffer.flip();
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(byteBuffer).toString();
System.out.println("服务端读取到数据===========：" + str);
//写数据回客户端
ByteBuffer writeBuffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("this is result");
socketChannel.write(writeBuffer);
//如果数据一次没写完关注可写事件进行再次写入（大数据一次写不完的情况）
if(writeBuffer.hasRemaining()){
//关注可写事件，添加事件，用interestOps()方法获取到之前的事件加上可写事件（类似linux系统的赋权限 777）
sk.interestOps(sk.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
sk.attach(writeBuffer);
//位运算符也可以
//sk.interestOps(sk.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
}
}catch (IOException e){
e.printStackTrace();
//客户端异常断开连接 ，取消事件
sk.cancel();
}
}else if(sk.isWritable()){
//取到Channel
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) sk.channel();
//获取到绑定的ByteBuffer
ByteBuffer writeBuffer = (ByteBuffer) sk.attachment();
socketChannel.write(writeBuffer);
//如果全部写完，取消可写事件绑定，解除writeBuffer绑定
if(!writeBuffer.hasRemaining()){
sk.attach(null);
//取消可写事件
sk.interestOps(sk.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
}
}
}
来源：https://blog.csdn.net/zhaoqingquanajax/article/details/116212650
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