簡單瞭解JAVA NIO

I/O簡介

在 Java 編程中，直到最近一直使用 流 的方式完成 I/O。所有 I/O 都被視為單個的字節的移動，通過一個稱為 Stream 的對象一次移動一個字節。流 I/O 用於與外部世界接觸。它也在內部使用，用於將對象轉換為字節，然後再轉換回對象。

Java NIO即Java Non-blocking IO(Java非阻塞I/O)，因為是在Jdk1.4之後增加的一套新的操作I/O工具包，所以一般會被叫做Java New IO。NIO是為提供I/O吞吐量而專門設計，其卓越的性能甚至可以與C媲美。NIO是通過Reactor模式的事件驅動機制來達到Non blocking的，那麼什麼是Reactor模式呢？Reactor翻譯成中文是“反應器”，就是我們將事件註冊到Reactor中，當有相應的事件發生時，Reactor便會告知我們有哪些事件發生了，我們再根據具體的事件去做相應的處理。

NIO 與原來的 I/O 有同樣的作用和目的，但是它使用不同的方式�C塊I/O。塊 I/O 的效率可以比流 I/O 高許多。NIO 的創建目的是為了讓 Java 程序員可以實現高速 I/O 而無需編寫自定義的本機代碼。NIO 將最耗時的 I/O 操作(即填充和提取緩衝區)轉移回操作系統，因而可以極大地提高速度。

面向流 的 I/O 系統一次一個字節地處理數據。一個輸入流產生一個字節的數據，一個輸出流消費一個字節的數據。為流式數據創建過濾器非常容易。鏈接幾個過濾器，以便每個過濾器只負責單個複雜處理機制的一部分，這樣也是相對簡單的。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相當慢。

一個 面向塊 的 I/O 系統以塊的形式處理數據。每一個操作都在一步中產生或者消費一個數據塊。按塊處理數據比按(流式的)字節處理數據要快得多。但是面向塊的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的優雅性和簡單性。

NIO介紹

NIO有三個核心模塊：Selector(選擇器)、Channel(通道)、Buffer(緩衝區)，另外java.nio.charsets包下新增的字符集類也是nio一個重要的模塊，但個人覺得不算是NIO的核心，只是一個供NIO核心類使用的工具類。

通道和緩衝區
 

什麼是通道

通道是對原 I/O 包中的流的模擬。到任何目的地(或來自任何地方)的所有數據都必須通過一個 Channel 對象。一個 Buffer 實質上是一個容器對象。發送給一個通道的所有對象都必須首先放到緩衝區中；同樣地，從通道中讀取的任何數據都要讀到緩衝區中。

Channel是一個對象，可以通過它讀取和寫入數據。拿 NIO 與原來的 I/O 做個比較，通道就像是流。
 正如前面提到的，所有數據都通過 Buffer 對象來處理。你永遠不會將字節直接寫入通道中，相反，你是將數據寫入包含一個或者多個字節的緩衝區。同樣，你不會直接從通道中讀取字節，而是將數據從通道讀入緩衝區，再從緩衝區獲取這個字節。

下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現：

• FileChannel

• DatagramChannel

• SocketChannel

• ServerSocketChannel
  

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，以及文件IO。

什麼是緩衝區

Buffer 是一個對象， 它包含一些要寫入或者剛讀出的數據。 在 NIO 中加入 Buffer 對象，體現了新庫與原 I/O 的一個重要區別。在面向流的 I/O 中，將數據直接寫入或者將數據直接讀到 Stream 對象中。在 NIO 庫中，所有數據都是用緩衝區處理的。在讀取數據時，它是直接讀到緩衝區中的。在寫入數據時，它是寫入到緩衝區中的。任何時候訪問 NIO 中的數據，您都是將它放到緩衝區中。緩衝區實質上是一個數組。通常它是一個字節數組，但是也可以使用其他種類的數組。但是一個緩衝區不 僅僅 是一個數組。緩衝區提供了對數據的結構化訪問，而且還可以跟蹤系統的讀/寫進程。

Buffer與channel的關係如下：

最常用的緩衝區類型是 ByteBuffer。一個 ByteBuffer 可以在其底層字節數組上進行 get/set 操作(即字節的獲取和設置)。ByteBuffer 不是 NIO 中唯一的緩衝區類型。事實上，對於每一種基本 Java 類型都有一種緩衝區類型：

• ByteBuffer

• CharBuffer

• ShortBuffer

• IntBuffer

• LongBuffer

• FloatBuffer

• DoubleBuffer
  

每一個 Buffer 類都是 Buffer 接口的一個實例。 除了 ByteBuffer，每一個 Buffer 類都有完全一樣的操作，只是它們所處理的數據類型不一樣。因為大多數標準 I/O 操作都使用 ByteBuffer，所以它具有所有共享的緩衝區操作以及一些特有的操作。

什麼是Selector
 在併發型服務器程序中使用NIO，實際上是通過網絡事件驅動模型實現的。我們應用Select 機制，不用為每一個客戶端連接新啟線程處理，而是將其註冊到特定的Selector 對象上，這就可以在單線程中利用Selector 對象管理大量併發的網絡連接，更好的利用了系統資源；採用非阻塞I/O的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，從而減少了管理I/O 連接導致的系統開銷，大幅度提高了系統性能。

當有讀或寫等任何註冊的事件發生時，可以從Selector 中獲得相應的SelectionKey ， 從SelectionKey 中可以找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發送過來的數據。由於在非阻塞網絡I/O 中採用了事件觸發機制，處理程序可以得到系統的主動通知，從而可以實現底層網絡I/O無阻塞、流暢地讀寫，而不像在原來的阻塞模式下處理程序需要不斷循環等待。使用NIO，可以編寫出性能更好、更易擴展的併發型服務器程序。

這是在一個單線程中使用一個Selector處理3個Channel的圖示：

要使用Selector，得先向Selector註冊Channel，然後調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子比如有新連接進來或是數據接收等。