JAVA NIO深入剖析
2023-12-14 06:30:43
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JAVA NIO深入剖析
在讲解利用NIO实现通信架构之前，我们需要先来了解一下NIO的基本特点和使用。
1 Java NIO 基本介绍
- Java NIO（New IO）也有人称之为 java non-blocking IO是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其他事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。
- NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
- NIO 有三大核心部分：Channel( 通道) ，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)
- Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。
- 通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 1000 个请求过来,根据实际情况，可以分配20 或者 80个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 1000 个。
2 NIO 和 BIO 的比较
- BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多
- BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
- BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道
读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道
| NIO | BIO |
|---|---|
| 面向缓冲区（Buffer） | 面向流（Stream） |
| 非阻塞（Non Blocking IO） | 阻塞IO(Blocking IO) |
| 选择器（Selectors） |
3 NIO 三大核心原理示意图
NIO 有三大核心部分：Channel( 通道) ，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)
Buffer缓冲区
缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作，Buffer API更加容易操作和管理。
Channel（通道）
Java NIO的通道类似流，但又有些不同：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的（input或output)读写通常是单向的。 通道可以非阻塞读取和写入通道，通道可以支持读取或写入缓冲区，也支持异步地读写。
Selector选择器
Selector是 一个Java NIO组件，可以能够检查一个或多个 NIO 通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接，提高效率
- 每个 channel 都会对应一个 Buffer
- 一个线程对应Selector ， 一个Selector对应多个 channel(连接)
- 程序切换到哪个 channel 是由事件决定的
- Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
- Buffer 就是一个内存块 ， 底层是一个数组
- 数据的读取写入是通过 Buffer完成的 , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写。
- Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、 套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取 用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲 区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之，Channel 负责传输， Buffer 负责存取数据
4 NIO核心一：缓冲区(Buffer)
缓冲区（Buffer）
一个用于特定基本数据类 型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区 都是 Buffer 抽象类的子类.。Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行 交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的
Buffer 类及其子类
Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根 据数据类型不同 ，有以下 Buffer 常用子类：
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
上述 Buffer 类 他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自 管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer 对象：
static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为capacity 的 XxxBuffer 对象
缓冲区的基本属性
Buffer 中的重要概念：
- 容量 (capacity) ：作为一个内存块，Buffer具有一定的固定大小，也称为"容量"，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。
- 限制 (limit)：表示缓冲区中可以操作数据的大小（limit 后数据不能进行读写）。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。 写入模式，限制等于buffer的容量。读取模式下，limit等于写入的数据量。
- 位置 (position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为 负，并且不能大于其限制
- 标记 (mark)与重置 (reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法 指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这 个 position.
标记、位置、限制、容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity - 图示:
Buffer常见方法
Buffer clear() 清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip() 为 将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置充值为 0
int capacity() 返回 Buffer 的 capacity 大小
boolean hasRemaining() 判断缓冲区中是否还有元素
int limit() 返回 Buffer 的界限(limit) 的位置
Buffer limit(int n) 将设置缓冲区界限为 n, 并返回一个具有新 limit 的缓冲区对象
Buffer mark() 对缓冲区设置标记
int position() 返回缓冲区的当前位置 position
Buffer position(int n) 将设置缓冲区的当前位置为 n , 并返回修改后的 Buffer 对象
int remaining() 返回 position 和 limit 之间的元素个数
Buffer reset() 将位置 position 转到以前设置的 mark 所在的位置
Buffer rewind() 将位置设为为 0， 取消设置的 mark
缓冲区的数据操作
Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法：get()put() 方法
取获取 Buffer中的数据
get() ：读取单个字节
get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)
放到 入数据到 Buffer 中 中
put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)
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，转换为读取模式
- 3.从Buffer中读取数据
- 4.调用buffer.clear()方法或者buffer.compact()方法清除缓冲区
案例演示
public class TestBuffer {
@Test
public void test3(){
//分配直接缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
System.out.println(buf.isDirect());
}
@Test
public void test2(){
String str = "itheima";
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.put(str.getBytes());
buf.flip();
byte[] dst = new byte[buf.limit()];
buf.get(dst, 0, 2);
System.out.println(new String(dst, 0, 2));
System.out.println(buf.position());
//mark() : 标记
buf.mark();
buf.get(dst, 2, 2);
System.out.println(new String(dst, 2, 2));
System.out.println(buf.position());
//reset() : 恢复到 mark 的位置
buf.reset();
System.out.println(buf.position());
//判断缓冲区中是否还有剩余数据
if(buf.hasRemaining()){
//获取缓冲区中可以操作的数量
System.out.println(buf.remaining());
}
}
@Test
public void test1(){
String str = "itheima";
//1. 分配一个指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
System.out.println("-----------------allocate()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
//2. 利用 put() 存入数据到缓冲区中
buf.put(str.getBytes());
System.out.println("-----------------put()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
//3. 切换读取数据模式
buf.flip();
System.out.println("-----------------flip()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
//4. 利用 get() 读取缓冲区中的数据
byte[] dst = new byte[buf.limit()];
buf.get(dst);
System.out.println(new String(dst, 0, dst.length));
System.out.println("-----------------get()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
//5. rewind() : 可重复读
buf.rewind();
System.out.println("-----------------rewind()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
//6. clear() : 清空缓冲区. 但是缓冲区中的数据依然存在，但是处于“被遗忘”状态
buf.clear();
System.out.println("-----------------clear()----------------");
System.out.println(buf.position());
System.out.println(buf.limit());
System.out.println(buf.capacity());
System.out.println((char)buf.get());
}
}
直接与非直接缓冲区
什么是直接内存与非直接内存
根据官方文档的描述：
byte byffer可以是两种类型，一种是基于直接内存（也就是非堆内存）；另一种是非直接内存（也就是堆内存）。对于直接内存来说，JVM将会在IO操作上具有更高的性能，因为它直接作用于本地系统的IO操作。而非直接内存，也就是堆内存中的数据，如果要作IO操作，会先从本进程内存复制到直接内存，再利用本地IO处理。
从数据流的角度，非直接内存是下面这样的作用链：
本地IO-->直接内存-->非直接内存-->直接内存-->本地IO
而直接内存是：
本地IO-->直接内存-->本地IO
很明显，在做IO处理时，比如网络发送大量数据时，直接内存会具有更高的效率。直接内存使用allocateDirect创建，但是它比申请普通的堆内存需要耗费更高的性能。不过，这部分的数据是在JVM之外的，因此它不会占用应用的内存。所以呢，当你有很大的数据要缓存，并且它的生命周期又很长，那么就比较适合使用直接内存。只是一般来说，如果不是能带来很明显的性能提升，还是推荐直接使用堆内存。字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。
使用场景
- 1 有很大的数据需要存储，它的生命周期又很长
- 2 适合频繁的IO操作，比如网络并发场景
5 NIO核心二：通道(Channel)
通道Channe概述
通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义 的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。 Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与 Buffer 进行交互。
1、 NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：
-
通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
-
通道可以实现异步读写数据
-
通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:
2、BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)
是双向的，可以读操作，也可以写操作。
3、Channel 在 NIO 中是一个接口
public interface Channel extends Closeable{}
常用的Channel实现类
- FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
- DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
- SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
- ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。 【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】
FileChannel 类
获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下：
- FileInputStream
- FileOutputStream
- RandomAccessFile
- DatagramSocket
- Socket
- ServerSocket
获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道
FileChannel的常用方法
int read(ByteBuffer dst) 从 从 Channel 到 中读取数据到 ByteBuffer
long read(ByteBuffer[] dsts) 将 将 Channel 到 中的数据“分散”到 ByteBuffer[]
int write(ByteBuffer src) 将 将 ByteBuffer 到 中的数据写入到 Channel
long write(ByteBuffer[] srcs) 将 将 ByteBuffer[] 到 中的数据“聚集”到 Channel
long position() 返回此通道的文件位置
FileChannel position(long p) 设置此通道的文件位置
long size() 返回此通道的文件的当前大小
FileChannel truncate(long s) 将此通道的文件截取为给定大小
void force(boolean metaData) 强制将所有对此通道的文件更新写入到存储设备中
案例1-本地文件写数据
需求：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 “hello,黑马Java程序员！” 写入到 data.txt 中.
package com.itheima;
import org.junit.Test;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class ChannelTest {
@Test
public void write(){
try {
// 1、字节输出流通向目标文件
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("data01.txt");
// 2、得到字节输出流对应的通道Channel
FileChannel channel = fos.getChannel();
// 3、分配缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("hello,黑马Java程序员！".getBytes());
// 4、把缓冲区切换成写出模式
buffer.flip();
channel.write(buffer);
channel.close();
System.out.println("写数据到文件中！");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
案例2-本地文件读数据
需求：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 data01.txt 中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕
public class ChannelTest {
@Test
public void read() throws Exception {
// 1、定义一个文件字节输入流与源文件接通
FileInputStream is = new FileInputStream("data01.txt");
// 2、需要得到文件字节输入流的文件通道
FileChannel channel = is.getChannel();
// 3、定义一个缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 4、读取数据到缓冲区
channel.read(buffer);
buffer.flip();
// 5、读取出缓冲区中的数据并输出即可
String rs = new String(buffer.array(),0,buffer.remaining());
System.out.println(rs);
}
案例3-使用Buffer完成文件复制
使用 FileChannel(通道) ，完成文件的拷贝。
@Test
public void copy() throws Exception {
// 源文件
File srcFile = new File("C:\\Users\\dlei\\Desktop\\BIO,NIO,AIO\\文件\\壁纸.jpg");
File destFile = new File("C:\\Users\\dlei\\Desktop\\BIO,NIO,AIO\\文件\\壁纸new.jpg");
// 得到一个字节字节输入流
FileInputStream fis = new FileInputStream(srcFile);
// 得到一个字节输出流
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destFile);
// 得到的是文件通道
FileChannel isChannel = fis.getChannel();
FileChannel osChannel = fos.getChannel();
// 分配缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while(true){
// 必须先清空缓冲然后再写入数据到缓冲区
buffer.clear();
// 开始读取一次数据
int flag = isChannel.read(buffer);
if(flag == -1){
break;
}
// 已经读取了数据 ，把缓冲区的模式切换成可读模式
buffer.flip();
// 把数据写出到
osChannel.write(buffer);
}
isChannel.close();
osChannel.close();
System.out.println("复制完成！");
}
案例4-分散 (Scatter) 和聚集 (Gather)
分散读取（Scatter ）:是指把Channel通道的数据读入到多个缓冲区中去
聚集写入（Gathering ）是指将多个 Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。
//分散和聚集
@Test
public void test() throws IOException{
RandomAccessFile raf1 = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
//1. 获取通道
FileChannel channel1 = raf1.getChannel();
//2. 分配指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(100);
ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(1024);
//3. 分散读取
ByteBuffer[] bufs = {buf1, buf2};
channel1.read(bufs);
for (ByteBuffer byteBuffer : bufs) {
byteBuffer.flip();
}
System.out.println(new String(bufs[0].array(), 0, bufs[0].limit()));
System.out.println("-----------------");
System.out.println(new String(bufs[1].array(), 0, bufs[1].limit()));
//4. 聚集写入
RandomAccessFile raf2 = new RandomAccessFile("2.txt", "rw");
FileChannel channel2 = raf2.getChannel();
channel2.write(bufs);
}
案例5-transferFrom()
从目标通道中去复制原通道数据
@Test
public void test02() throws Exception {
// 1、字节输入管道
FileInputStream is = new FileInputStream("data01.txt");
FileChannel isChannel = is.getChannel();
// 2、字节输出流管道
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("data03.txt");
FileChannel osChannel = fos.getChannel();
// 3、复制
osChannel.transferFrom(isChannel,isChannel.position(),isChannel.size());
isChannel.close();
osChannel.close();
}
案例6-transferTo()
把原通道数据复制到目标通道
@Test
public void test02() throws Exception {
// 1、字节输入管道
FileInputStream is = new FileInputStream("data01.txt");
FileChannel isChannel = is.getChannel();
// 2、字节输出流管道
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("data04.txt");
FileChannel osChannel = fos.getChannel();
// 3、复制
isChannel.transferTo(isChannel.position() , isChannel.size() , osChannel);
isChannel.close();
osChannel.close();
}
6 NIO核心三：选择器(Selector)
选择器(Selector)概述
选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心
- Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个
Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管
理多个通道，也就是管理多个连接和请求。 - 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都
创建一个线程，不用去维护多个线程 - 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销
选择器（Selector）的应用
创建 Selector ：通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector。
Selector selector = Selector.open();
向选择器注册通道：SelectableChannel.register(Selector sel, int ops)
//1. 获取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
//2. 切换非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);
//3. 绑定连接
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
//4. 获取选择器
Selector selector = Selector.open();
//5. 将通道注册到选择器上, 并且指定“监听接收事件”
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
当调用 register(Selector sel, int ops) 将通道注册选择器时，选择器对通道的监听事件，需要通过第二个参数 ops 指定。可以监听的事件类型（用 可使用 SelectionKey 的四个常量 表示）：
- 读 : SelectionKey.OP_READ （1）
- 写 : SelectionKey.OP_WRITE （4）
- 连接 : SelectionKey.OP_CONNECT （8）
- 接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT （16）
- 若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。
int interestSet = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE
7 NIO非阻塞式网络通信原理分析
Selector 示意图和特点说明
Selector可以实现： 一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。
服务端流程
-
1、当客户端连接服务端时，服务端会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel：1. 获取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open(); -
2、切换非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false); -
3、绑定连接
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9999)); -
4、 获取选择器
Selector selector = Selector.open(); -
5、 将通道注册到选择器上, 并且指定“监听接收事件”
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); -
- 轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件
//轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件 while (selector.select() > 0) { System.out.println("轮一轮"); //7. 获取当前选择器中所有注册的“选择键(已就绪的监听事件)” Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { //8. 获取准备“就绪”的是事件 SelectionKey sk = it.next(); //9. 判断具体是什么事件准备就绪 if (sk.isAcceptable()) { //10. 若“接收就绪”，获取客户端连接 SocketChannel sChannel = ssChannel.accept(); //11. 切换非阻塞模式 sChannel.configureBlocking(false); //12. 将该通道注册到选择器上 sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (sk.isReadable()) { //13. 获取当前选择器上“读就绪”状态的通道 SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel(); //14. 读取数据 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); int len = 0; while ((len = sChannel.read(buf)) > 0) { buf.flip(); System.out.println(new String(buf.array(), 0, len)); buf.clear(); } } //15. 取消选择键 SelectionKey it.remove(); } } }
客户端流程
-
- 获取通道
SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999)); -
- 切换非阻塞模式
sChannel.configureBlocking(false); -
- 分配指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); -
- 发送数据给服务端
Scanner scan = new Scanner(System.in); while(scan.hasNext()){ String str = scan.nextLine(); buf.put((new SimpleDateFormat("yyyy/MM/dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()) + "\n" + str).getBytes()); buf.flip(); sChannel.write(buf); buf.clear(); } //关闭通道 sChannel.close();
8 NIO非阻塞式网络通信入门案例
需求：服务端接收客户端的连接请求，并接收多个客户端发送过来的事件。
代码案例
/**
客户端
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//1. 获取通道
SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
//2. 切换非阻塞模式
sChannel.configureBlocking(false);
//3. 分配指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
//4. 发送数据给服务端
Scanner scan = new Scanner(System.in);
while(scan.hasNext()){
String str = scan.nextLine();
buf.put((new SimpleDateFormat("yyyy/MM/dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis())
+ "\n" + str).getBytes());
buf.flip();
sChannel.write(buf);
buf.clear();
}
//5. 关闭通道
sChannel.close();
}
}
/**
服务端
*/
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//1. 获取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
//2. 切换非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);
//3. 绑定连接
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
//4. 获取选择器
Selector selector = Selector.open();
//5. 将通道注册到选择器上, 并且指定“监听接收事件”
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//6. 轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件
while (selector.select() > 0) {
System.out.println("轮一轮");
//7. 获取当前选择器中所有注册的“选择键(已就绪的监听事件)”
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
//8. 获取准备“就绪”的是事件
SelectionKey sk = it.next();
//9. 判断具体是什么事件准备就绪
if (sk.isAcceptable()) {
//10. 若“接收就绪”，获取客户端连接
SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
//11. 切换非阻塞模式
sChannel.configureBlocking(false);
//12. 将该通道注册到选择器上
sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (sk.isReadable()) {
//13. 获取当前选择器上“读就绪”状态的通道
SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel();
//14. 读取数据
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
int len = 0;
while ((len = sChannel.read(buf)) > 0) {
buf.flip();
System.out.println(new String(buf.array(), 0, len));
buf.clear();
}
}
//15. 取消选择键 SelectionKey
it.remove();
}
}
}
}
9 NIO 网络编程应用实例-群聊系统
目标
需求:进一步理解 NIO 非阻塞网络编程机制，实现多人群聊
- 编写一个 NIO 群聊系统，实现客户端与客户端的通信需求（非阻塞）
- 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
- 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有客户端用户，同时可以接受其它客户端用户通过服务端转发来的消息
服务端代码实现
public class Server {
//定义属性
private Selector selector;
private ServerSocketChannel ssChannel;
private static final int PORT = 9999;
//构造器
//初始化工作
public Server() {
try {
// 1、获取通道
ssChannel = ServerSocketChannel.open();
// 2、切换为非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);
// 3、绑定连接的端口
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));
// 4、获取选择器Selector
selector = Selector.open();
// 5、将通道都注册到选择器上去，并且开始指定监听接收事件
ssChannel.register(selector , SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//监听
public void listen() {
System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
try {
while (selector.select() > 0){
System.out.println("开始一轮事件处理~~~");
// 7、获取选择器中的所有注册的通道中已经就绪好的事件
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
// 8、开始遍历这些准备好的事件
while (it.hasNext()){
// 提取当前这个事件
SelectionKey sk = it.next();
// 9、判断这个事件具体是什么
if(sk.isAcceptable()){
// 10、直接获取当前接入的客户端通道
SocketChannel schannel = ssChannel.accept();
// 11 、切换成非阻塞模式
schannel.configureBlocking(false);
// 12、将本客户端通道注册到选择器
System.out.println(schannel.getRemoteAddress() + " 上线 ");
schannel.register(selector , SelectionKey.OP_READ);
//提示
}else if(sk.isReadable()){
//处理读 (专门写方法..)
readData(sk);
}
it.remove(); // 处理完毕之后需要移除当前事件
}
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
//发生异常处理....
}
}
//读取客户端消息
private void readData(SelectionKey key) {
//取到关联的channle
SocketChannel channel = null;
try {
//得到channel
channel = (SocketChannel) key.channel();
//创建buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根据count的值做处理
if(count > 0) {
//把缓存区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
//输出该消息
System.out.println("form 客户端: " + msg);
//向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
}catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
e.printStackTrace();
//取消注册
key.cancel();
//关闭通道
channel.close();
}catch (IOException e2) {
e2.printStackTrace();;
}
}
}
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
//通过 key 取出对应的 SocketChannel
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
//转型
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将msg 存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer 的数据写入 通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建服务器对象
Server groupChatServer = new Server();
groupChatServer.listen();
}
}
客户端代码实现
package com.itheima.chat;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
public class Client {
//定义相关的属性
private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
private final int PORT = 9999; //服务器端口
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
//构造器, 完成初始化工作
public Client() throws IOException {
selector = Selector.open();
//连接服务器
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel 注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//得到username
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 说：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {//有可以用的通道
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
}
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
} else {
//System.out.println("没有可以用的通道...");
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
//启动我们客户端
Client chatClient = new Client();
//启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
new Thread() {
public void run() {
while (true) {
chatClient.readInfo();
try {
Thread.currentThread().sleep(3000);
}catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
String s = scanner.nextLine();
chatClient.sendInfo(s);
}
}
}
小结
10 JAVA AIO深入剖析
AIO编程
- Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。
AIO
异步非阻塞，基于NIO的，可以称之为NIO2.0
BIO NIO AIO
Socket SocketChannel AsynchronousSocketChannel
ServerSocket ServerSocketChannel AsynchronousServerSocketChannel
与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可, 这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序
即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在Java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：
AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel
11 BIO,NIO,AIO总结
BIO、NIO、AIO：
- Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。
- Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。
- Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。
BIO、NIO、AIO适用场景分析:
- BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
- NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
- AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。Netty!
文章来源:https://blog.csdn.net/m0_62943934/article/details/134981653
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