面试笔记:Java NIO 核心组件

编辑:彭艳   来源:sxtjava   编程语言   2017-09-14 11:49:22

背景知识 同步、异步、阻塞、非阻塞

首先,这几个概念非常容易搞混淆,但NIO中又有涉及,所以总结一下。

同步:API调用返回时调用者就知道操作的结果如何了(实际读取/写入了多少字节)。

异步:相对于同步,API调用返回时调用者不知道操作的结果,后面才会回调通知结果。

阻塞:当无数据可读,或者不能写入所有数据时,挂起当前线程等待。

非阻塞:读取时,可以读多少数据就读多少然后返回,写入时,可以写入多少数据就写入多少然后返回。

对于I/O操作,根据Oracle官网的文档,同步异步的划分标准是“调用者是否需要等待I/O操作完成”,这个“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要读取到数据或者说写入所有数据,而是指真正进行I/O操作时,比如数据在TCP/IP协议栈缓冲区和JVM缓冲区之间传输的这段时间,调用者是否要等待。

所以,我们常用的 read() 和 write() 方法都是同步I/O,同步I/O又分为阻塞和非阻塞两种模式,如果是非阻塞模式,检测到无数据可读时,直接就返回了,并没有真正执行I/O操作。

总结就是,Java中实际上只有 同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O 与 异步I/O 三种机制,我们下文所说的是前两种,JDK 1.7才开始引入异步 I/O,那称之为NIO.2。

传统IO

我们知道,一个新技术的出现总是伴随着改进和提升,Java NIO的出现亦如此。

传统 I/O 是阻塞式I/O,主要问题是系统资源的浪费。比如我们为了读取一个TCP连接的数据,调用 InputStream 的 read() 方法,这会使当前线程被挂起,直到有数据到达才被唤醒,那该线程在数据到达这段时间内,占用着内存资源(存储线程栈)却无所作为,也就是俗话说的占着茅坑不拉屎,为了读取其他连接的数据,我们不得不启动另外的线程。在并发连接数量不多的时候,这可能没什么问题,然而当连接数量达到一定规模,内存资源会被大量线程消耗殆尽。另一方面,线程切换需要更改处理器的状态,比如程序计数器、寄存器的值,因此非常频繁的在大量线程之间切换,同样是一种资源浪费。

随着技术的发展,现代操作系统提供了新的I/O机制,可以避免这种资源浪费。基于此,诞生了Java NIO,NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。紧接着我们发现,简单的使用非阻塞I/O并不能解决问题,因为在非阻塞模式下,read()方法在没有读取到数据时就会立即返回,不知道数据何时到达的我们,只能不停的调用read()方法进行重试,这显然太浪费CPU资源了,从下文可以知道,Selector组件正是为解决此问题而生。

Java NIO 核心组件 1.Channel 概念

Java NIO中的所有I/O操作都基于Channel对象,就像流操作都要基于Stream对象一样,因此很有必要先了解Channel是什么。以下内容摘自JDK 1.8的文档

A channel represents an open connection to an entity such as a hardware device, a file, a network socket, or a program component that is capable of performing one or more distinct I/O operations, for example reading or writing.

从上述内容可知,一个Channel(通道)代表和某一实体的连接,这个实体可以是文件、网络套接字等。也就是说,通道是Java NIO提供的一座桥梁,用于我们的程序和操作系统底层I/O服务进行交互。

通道是一种很基本很抽象的描述,和不同的I/O服务交互,执行不同的I/O操作,实现不一样,因此具体的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起来跟Stream比较像,可以读取数据到Buffer中,也可以把Buffer中的数据写入通道。

当然,也有区别,主要体现在如下两点:

一个通道,既可以读又可以写,而一个Stream是单向的(所以分 InputStream 和 OutputStream)

通道有非阻塞I/O模式

实现

Java NIO中最常用的通道实现是如下几个,可以看出跟传统的 I/O 操作类是一一对应的。

FileChannel:读写文件

DatagramChannel: UDP协议网络通信

SocketChannel:TCP协议网络通信

ServerSocketChannel:监听TCP连接

2.Buffer

NIO中所使用的缓冲区不是一个简单的byte数组,而是封装过的Buffer类,通过它提供的API,我们可以灵活的操纵数据,下面细细道来。

与Java基本类型相对应,NIO提供了多种 Buffer 类型,如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等,区别就是读写缓冲区时的单位长度不一样(以对应类型的变量为单位进行读写)。

Buffer中有3个很重要的变量,它们是理解Buffer工作机制的关键,分别是

capacity (总容量)

position (指针当前位置)

limit (读/写边界位置)

Buffer的工作方式跟C语言里的字符数组非常的像,类比一下,capacity就是数组的总长度,position就是我们读/写字符的下标变量,limit就是结束符的位置。Buffer初始时3个变量的情况如下图

在对Buffer进行读/写的过程中,position会往后移动,而 limit 就是 position 移动的边界。由此不难想象,在对Buffer进行写入操作时,limit应当设置为capacity的大小,而对Buffer进行读取操作时,limit应当设置为数据的实际结束位置。(注意:将Buffer数据 写入 通道是Buffer 读取 操作,从通道 读取 数据到Buffer是Buffer 写入 操作)

在对Buffer进行读/写操作前,我们可以调用Buffer类提供的一些辅助方法来正确设置 position 和 limit 的值,主要有如下几个

flip(): 设置 limit 为 position 的值,然后 position 置为0。对Buffer进行读取操作前调用。

rewind(): 仅仅将 position 置0。一般是在重新读取Buffer数据前调用,比如要读取同一个Buffer的数据写入多个通道时会用到。

clear(): 回到初始状态,即 limit 等于 capacity,position 置0。重新对Buffer进行写入操作前调用。

compact(): 将未读取完的数据(position 与 limit 之间的数据)移动到缓冲区开头,并将 position 设置为这段数据末尾的下一个位置。其实就等价于重新向缓冲区中写入了这么一段数据。

然后,看一个实例,使用 FileChannel 读写文本文件,通过这个例子验证通道可读可写的特性以及Buffer的基本用法(注意 FileChannel 不能设置为非阻塞模式)。

FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel(); channel.position(channel.size());  // 移动文件指针到末尾(追
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