Java NIO使用及原理分析 (一)

  • 2019 年 10 月 5 日
  • 筆記

最近由於工作關係要做一些Java方面的開發，其中最重要的一塊就是Java NIO（New I/O），儘管很早以前了解過一些，但並沒有認真去看過它的實現原理，也沒有機會在工作中使用，這次也好重新研究一下，順便寫點東西，就當是自己學習 java NIO的筆記了。本文為NIO使用及原理分析的第一篇，將會介紹NIO中幾個重要的概念。

在Java1.4之前的I/O系統中，提供的都是面向流的I/O系統，系統一次一個位元組地處理數據，一個輸入流產生一個位元組的數據，一個輸出流消費一個位元組的數據，面向流的I/O速度非常慢，而在Java 1.4中推出了NIO，這是一個面向塊的I/O系統，系統以塊的方式處理處理，每一個操作在一步中產生或者消費一個資料庫，按塊處理要比按位元組處理數據快的多。

在NIO中有幾個核心對象需要掌握：緩衝區（Buffer）、通道（Channel）、選擇器（Selector）。

緩衝區Buffer

緩衝區實際上是一個容器對象，更直接的說，其實就是一個數組，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，它也是寫入到緩衝區中的；任何時候訪問 NIO 中的數據，都是將它放到緩衝區中。而在面向流I/O系統中，所有數據都是直接寫入或者直接將數據讀取到Stream對象中。

在NIO中，所有的緩衝區類型都繼承於抽象類Buffer，最常用的就是ByteBuffer，對於Java中的基本類型，基本都有一個具體Buffer類型與之相對應，它們之間的繼承關係如下圖所示：

下面是一個簡單的使用IntBuffer的例子：

[java] view plain copy print?

  1. import java.nio.IntBuffer;
  3. public class TestIntBuffer {
  4. public static void main(String[] args) {
  5. // 分配新的int緩衝區，參數為緩衝區容量
  6. // 新緩衝區的當前位置將為零，其界限(限制位置)將為其容量。它將具有一個底層實現數組，其數組偏移量將為零。
  7. IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);
  9. for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {
  10. int j = 2 * (i + 1);
  11. // 將給定整數寫入此緩衝區的當前位置，當前位置遞增
  12. buffer.put(j);
  13. }
  15. // 重設此緩衝區，將限制設置為當前位置，然後將當前位置設置為0
  16. buffer.flip();
  18. // 查看在當前位置和限制位置之間是否有元素
  19. while (buffer.hasRemaining()) {
  20. // 讀取此緩衝區當前位置的整數，然後當前位置遞增
  21. int j = buffer.get();
  22. System.out.print(j + " ");
  23. }
  25. }
  27. }

運行後可以看到：

在後面我們還會繼續分析Buffer對象，以及它的幾個重要的屬性。

通道Channel

通道是一個對象，通過它可以讀取和寫入數據，當然了所有數據都通過Buffer對象來處理。我們永遠不會將位元組直接寫入通道中，相反是將數據寫入包含一個或者多個位元組的緩衝區。同樣不會直接從通道中讀取位元組，而是將數據從通道讀入緩衝區，再從緩衝區獲取這個位元組。

在NIO中，提供了多種通道對象，而所有的通道對象都實現了Channel介面。它們之間的繼承關係如下圖所示：

使用NIO讀取數據

在前面我們說過，任何時候讀取數據，都不是直接從通道讀取，而是從通道讀取到緩衝區。所以使用NIO讀取數據可以分為下面三個步驟： 1. 從FileInputStream獲取Channel 2. 創建Buffer 3. 將數據從Channel讀取到Buffer中

下面是一個簡單的使用NIO從文件中讀取數據的例子：

[java] view plain copy print?

  1. import java.io.*;
  2. import java.nio.*;
  3. import java.nio.channels.*;
  5. public class Program {
  6. static public void main( String args[] ) throws Exception {
  7. FileInputStream fin = new FileInputStream("c:\test.txt");
  9. // 獲取通道
  10. FileChannel fc = fin.getChannel();
  12. // 創建緩衝區
  13. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  15. // 讀取數據到緩衝區
  16. fc.read(buffer);
  18. buffer.flip();
  20. while (buffer.remaining()>0) {
  21. byte b = buffer.get();
  22. System.out.print(((char)b));
  23. }
  25. fin.close();
  26. }
  27. }

使用NIO寫入數據

使用NIO寫入數據與讀取數據的過程類似，同樣數據不是直接寫入通道，而是寫入緩衝區，可以分為下面三個步驟： 1. 從FileInputStream獲取Channel 2. 創建Buffer 3. 將數據從Channel寫入到Buffer中

下面是一個簡單的使用NIO向文件中寫入數據的例子：

[java] view plain copy print?

  1. import java.io.*;
  2. import java.nio.*;
  3. import java.nio.channels.*;
  5. public class Program {
  6. static private final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,
  7. 98, 121, 116, 101, 115, 46 };
  9. static public void main( String args[] ) throws Exception {
  10. FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "c:\test.txt" );
  12. FileChannel fc = fout.getChannel();
  14. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
  16. for (int i=0; i<message.length; ++i) {
  17. buffer.put( message[i] );
  18. }
  20. buffer.flip();
  22. fc.write( buffer );
  24. fout.close();
  25. }
  26. }

本文介紹了Java NIO中三個核心概念中的兩個，並且看了兩個簡單的示例，分別是使用NIO進行數據的讀取和寫入，Java NIO中最重要的一塊Nonblocking I/O將在第三篇中進行分析，下篇將會介紹Buffer內部實現。

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