Java NIO 详解(一)

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Java NIO 详解(一)

老嗨 2015-09-14 11:07:00 浏览2010
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 NIO即新的输入输出,这个库是在JDK1.4中才引入的。它在标准java代码中提供了高速的面向块的IO操作。

一、基本概念描述

1.1 I/O简介

I/O即输入输出,是计算机与外界世界的一个借口。IO操作的实际主题是操作系统。在java编程中,一般使用流的方式来处理IO,所有的IO都被视作是单个字节的移动,通过stream对象一次移动一个字节。流IO负责把对象转换为字节,然后再转换为对象。

关于Java IO相关知识请参考我的另一篇文章:Java IO 详解

1.2 什么是NIO

NIO即New IO,这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的,但实现方式不同,NIO主要用到的是块,所以NIO的效率要比IO高很多。

在Java API中提供了两套NIO,一套是针对标准输入输出NIO,另一套就是网络编程NIO,本篇文章重点介绍标NIO,关于网络编程NIO请见Java NIO详解(二)

1.3 流与块的比较

NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式。IO是以的方式处理数据,而NIO是以的方式处理数据。

面向流的IO一次一个字节的处理数据,一个输入流产生一个字节,一个输出流就消费一个字节。为流式数据创建过滤器就变得非常容易,链接几个过滤器,以便对数据进行处理非常方便而简单,但是面向流的IO通常处理的很慢。

面向块的IO系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多,但面向块的IO缺少了面向流IO所具有的有雅兴和简单性。

二、NIO基础

BufferChannel是标准NIO中的核心对象(网络NIO中还有个Selector核心对象,具体请参考Java NIO详解(二)),几乎每一个IO操作中都会用到它们。

Channel是对原IO中流的模拟,任何来源和目的数据都必须通过一个Channel对象。一个Buffer实质上是一个容器对象,发给Channel的所有对象都必须先放到Buffer中;同样的,从Channel中读取的任何数据都要读到Buffer中。

2.1 关于Buffer

Buffer是一个对象,它包含一些要写入或读出的数据。在NIO中,数据是放入buffer对象的,而在IO中,数据是直接写入或者读到Stream对象的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作,而必须通过 Buffer 来进行,即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的。

在NIO中,所有的数据都是用Buffer处理的,它是NIO读写数据的中转池。Buffer实质上是一个数组,通常是一个字节数据,但也可以是其他类型的数组。但一个缓冲区不仅仅是一个数组,重要的是它提供了对数据的结构化访问,而且还可以跟踪系统的读写进程。

使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤:

  1. 写入数据到 Buffer;
  2. 调用 flip() 方法;
  3. 从 Buffer 中读取数据;
  4. 调用 clear() 方法或者 compact() 方法。

当向 Buffer 写入数据时,Buffer 会记录下写了多少数据。一旦要读取数据,需要通过 flip() 方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。在读模式下,可以读取之前写入到 Buffer 的所有数据。

一旦读完了所有的数据,就需要清空缓冲区,让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区:调用 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法会清空整个缓冲区。compact() 方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处,新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

Buffer主要有如下几种:

这里写图片描述

2.3 关于Channel

Channel是一个对象,可以通过它读取和写入数据。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比还有一些不同:

  1. Channel是双向的,既可以读又可以写,而流是单向的
  2. Channel可以进行异步的读写
  3. 对Channel的读写必须通过buffer对象

正如上面提到的,所有数据都通过Buffer对象处理,所以,您永远不会将字节直接写入到Channel中,相反,您是将数据写入到Buffer中;同样,您也不会从Channel中读取字节,而是将数据从Channel读入Buffer,再从Buffer获取这个字节。

因为Channel是双向的,所以Channel可以比流更好地反映出底层操作系统的真实情况。特别是在Unix模型中,底层操作系统通常都是双向的。

这里写图片描述

在Java NIO中Channel主要有如下几种类型:

  • FileChannel:从文件读取数据的
  • DatagramChannel:读写UDP网络协议数据
  • SocketChannel:读写TCP网络协议数据
  • ServerSocketChannel:可以监听TCP连接

三、从理论到实践:NIO中的读和写

IO中的读和写,对应的是数据和Stream,NIO中的读和写,则对应的就是通道和缓冲区。NIO中从通道中读取:创建一个缓冲区,然后让通道读取数据到缓冲区。NIO写入数据到通道:创建一个缓冲区,用数据填充它,然后让通道用这些数据来执行写入。

3.1 从文件中读取

我们已经知道,在NIO系统中,任何时候执行一个读操作,您都是从Channel中读取,而您不是直接从Channel中读取数据,因为所有的数据都必须用Buffer来封装,所以您应该是从Channel读取数据到Buffer。

因此,如果从文件读取数据的话,需要如下三步:

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 从Channel读取数据到Buffer

下面我们看一下具体过程:
第一步:获取通道

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();  

第二步:创建缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

第三步:将数据从通道读到缓冲区

fc.read( buffer );

3.2 写入数据到文件

类似于从文件读数据,
第一步:获取一个通道

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();

第二步:创建缓冲区,将数据放入缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
 buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();

第三步:把缓冲区数据写入通道中

fc.write( buffer );

3.3 读写结合

CopyFile是一个非常好的读写结合的例子,我们将通过CopyFile这个实力让大家体会NIO的操作过程。CopyFile执行三个基本的操作:创建一个Buffer,然后从源文件读取数据到缓冲区,然后再将缓冲区写入目标文件。

/**
 * 用java NIO api拷贝文件
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //声明源文件和目标文件
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //获得传输通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //获得容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判断是否读完文件
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重设一下buffer的position=0,limit=position
                buffer.flip();
                //开始写
                outChannel.write(buffer);
                //写完要重置buffer,重设position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}     

四、需要注意的点

上面程序中有三个地方需要注意

4.1 检查状态

当没有更多的数据时,拷贝就算完成,此时 read() 方法会返回 -1 ,我们可以根据这个方法判断是否读完。

int r= fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
     break;
     }

4.2 Buffer类的flip、clear方法

控制buffer状态的三个变量

  • position:跟踪已经写了多少数据或读了多少数据,它指向的是下一个字节来自哪个位置
  • limit:代表还有多少数据可以取出或还有多少空间可以写入,它的值小于等于capacity。
  • capacity:代表缓冲区的最大容量,一般新建一个缓冲区的时候,limit的值和capacity的值默认是相等的。

flip、clear这两个方法便是用来设置这些值的。

flip方法

我们先看一下flip的源码:

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
 }

这里写图片描述

在上面的FileCopy程序中,写入数据之前我们调用了buffer.flip();方法,这个方法把当前的指针位置position设置成了limit,再将当前指针position指向数据的最开始端,我们现在可以将数据从缓冲区写入通道了。 position 被设置为 0,这意味着我们得到的下一个字节是第一个字节。 limit 已被设置为原来的 position,这意味着它包括以前读到的所有字节,并且一个字节也不多。

clear方法

先看一下clear的源码:

 public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

这里写图片描述

在上面的FileCopy程序中,写入数据之后也就是读数据之前,我们调用了 buffer.clear();方法,这个方法重设缓冲区以便接收更多的字节。上图显示了在调用 clear() 后缓冲区的状态。

转载请说明出处,原文链接:http://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/48160753

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