Java NIO工作原理的全面分析

2019-11-26 16:15:26

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供稿：網(wǎng)友

◆ 輸入/輸出：概念性描述
I/O 簡介
I/O ? 或者輸入/輸出 ? 指的是計(jì)算機(jī)與外部世界或者一個(gè)程序與計(jì)算機(jī)的其余部分的之間的接口。它對于任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都非常關(guān)鍵，因而所有 I/O 的主體實(shí)際上是內(nèi)置在操作系統(tǒng)中的。單獨(dú)的程序一般是讓系統(tǒng)為它們完成大部分的工作。
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(gè)的字節(jié)的移動，通過一個(gè)稱為 Stream 的對象一次移動一個(gè)字節(jié)。流 I/O 用于與外部世界接觸。它也在內(nèi)部使用，用于將對象轉(zhuǎn)換為字節(jié)，然后再轉(zhuǎn)換回對象。
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? 塊 I/O。正如您將在本教程中學(xué)到的，塊 I/O 的效率可以比流 I/O 高許多。
為什么要使用 NIO?
NIO 的創(chuàng)建目的是為了讓 Java 程序員可以實(shí)現(xiàn)高速 I/O 而無需編寫自定義的本機(jī)代碼。NIO 將最耗時(shí)的 I/O 操作(即填充和提取緩沖區(qū))轉(zhuǎn)移回操作系統(tǒng)，因而可以極大地提高速度。
流與塊的比較
原來的 I/O 庫(在 java.io.*中) 與 NIO 最重要的區(qū)別是數(shù)據(jù)打包和傳輸?shù)姆绞健Ｕ缜懊嫣岬降?，原來?I/O 以流的方式處理數(shù)據(jù)，而 NIO 以塊的方式處理數(shù)據(jù)。
面向流的 I/O 系統(tǒng)一次一個(gè)字節(jié)地處理數(shù)據(jù)。一個(gè)輸入流產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個(gè)輸出流消費(fèi)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。為流式數(shù)據(jù)創(chuàng)建過濾器非常容易。鏈接幾個(gè)過濾器，以便每個(gè)過濾器只負(fù)責(zé)單個(gè)復(fù)雜處理機(jī)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(dāng)慢。
一個(gè) 面向塊的 I/O 系統(tǒng)以塊的形式處理數(shù)據(jù)。每一個(gè)操作都在一步中產(chǎn)生或者消費(fèi)一個(gè)數(shù)據(jù)塊。按塊處理數(shù)據(jù)比按(流式的)字節(jié)處理數(shù)據(jù)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(yōu)雅性和簡單性。
集成的 I/O
在 JDK 1.4 中原來的 I/O 包和 NIO 已經(jīng)很好地集成了。 java.io.* 已經(jīng)以 NIO 為基礎(chǔ)重新實(shí)現(xiàn)了，所以現(xiàn)在它可以利用 NIO 的一些特性。例如， java.io.* 包中的一些類包含以塊的形式讀寫數(shù)據(jù)的方法，這使得即使在更面向流的系統(tǒng)中，處理速度也會更快。
也可以用 NIO 庫實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) I/O 功能。例如，可以容易地使用塊 I/O 一次一個(gè)字節(jié)地移動數(shù)據(jù)。但是正如您會看到的，NIO 還提供了原 I/O 包中所沒有的許多好處。
◆ 通道和緩沖區(qū)
概述
通道和緩沖區(qū) 是 NIO 中的核心對象，幾乎在每一個(gè) I/O 操作中都要使用它們。
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(shù)據(jù)都必須通過一個(gè) Channel 對象。一個(gè) Buffer 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)容器對象。發(fā)送給一個(gè)通道的所有對象都必須首先放到緩沖區(qū)中；同樣地，從通道中讀取的任何數(shù)據(jù)都要讀到緩沖區(qū)中。
在本節(jié)中，您會了解到 NIO 中通道和緩沖區(qū)是如何工作的。
什么是緩沖區(qū)？
Buffer 是一個(gè)對象，它包含一些要寫入或者剛讀出的數(shù)據(jù)。在 NIO 中加入 Buffer 對象，體現(xiàn)了新庫與原 I/O 的一個(gè)重要區(qū)別。在面向流的 I/O 中，您將數(shù)據(jù)直接寫入或者將數(shù)據(jù)直接讀到 Stream 對象中。
在 NIO 庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它是直接讀到緩沖區(qū)中的。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，它是寫入到緩沖區(qū)中的。任何時(shí)候訪問 NIO 中的數(shù)據(jù)，您都是將它放到緩沖區(qū)中。
緩沖區(qū)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)組。通常它是一個(gè)字節(jié)數(shù)組，但是也可以使用其他種類的數(shù)組。但是一個(gè)緩沖區(qū)不僅僅是一個(gè)數(shù)組。緩沖區(qū)提供了對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化訪問，而且還可以跟蹤系統(tǒng)的讀/寫進(jìn)程。
緩沖區(qū)類型
最常用的緩沖區(qū)類型是 ByteBuffer。一個(gè) ByteBuffer 可以在其底層字節(jié)數(shù)組上進(jìn)行 get/set 操作(即字節(jié)的獲取和設(shè)置)。
ByteBuffer 不是 NIO 中唯一的緩沖區(qū)類型。事實(shí)上，對于每一種基本 Java 類型都有一種緩沖區(qū)類型：
• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
每一個(gè) Buffer 類都是 Buffer 接口的一個(gè)實(shí)例。除了 ByteBuffer，每一個(gè) Buffer 類都有完全一樣的操作，只是它們所處理的數(shù)據(jù)類型不一樣。因?yàn)榇蠖鄶?shù)標(biāo)準(zhǔn) I/O 操作都使用 ByteBuffer，所以它具有所有共享的緩沖區(qū)操作以及一些特有的操作。
現(xiàn)在您可以花一點(diǎn)時(shí)間運(yùn)行 UseFloatBuffer.java，它包含了類型化的緩沖區(qū)的一個(gè)應(yīng)用例子。
什么是通道？
Channel是一個(gè)對象，可以通過它讀取和寫入數(shù)據(jù)。拿 NIO 與原來的 I/O 做個(gè)比較，通道就像是流。
正如前面提到的，所有數(shù)據(jù)都通過 Buffer 對象來處理。您永遠(yuǎn)不會將字節(jié)直接寫入通道中，相反，您是將數(shù)據(jù)寫入包含一個(gè)或者多個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)。同樣，您不會直接從通道中讀取字節(jié)，而是將數(shù)據(jù)從通道讀入緩沖區(qū)，再從緩沖區(qū)獲取這個(gè)字節(jié)。
通道類型
通道與流的不同之處在于通道是雙向的。而流只是在一個(gè)方向上移動(一個(gè)流必須是 InputStream 或者 OutputStream 的子類)，而通道可以用于讀、寫或者同時(shí)用于讀寫。
因?yàn)樗鼈兪请p向的，所以通道可以比流更好地反映底層操作系統(tǒng)的真實(shí)情況。特別是在 UNIX 模型中，底層操作系統(tǒng)通道是雙向的。
◆ 從理論到實(shí)踐：NIO 中的讀和寫
概述
讀和寫是 I/O 的基本過程。從一個(gè)通道中讀取很簡單：只需創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，然后讓通道將數(shù)據(jù)讀到這個(gè)緩沖區(qū)中。寫入也相當(dāng)簡單：創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，用數(shù)據(jù)填充它，然后讓通道用這些數(shù)據(jù)來執(zhí)行寫入操作。
在本節(jié)中，我們將學(xué)習(xí)有關(guān)在 Java 程序中讀取和寫入數(shù)據(jù)的一些知識。我們將回顧 NIO 的主要組件(緩沖區(qū)、通道和一些相關(guān)的方法)，看看它們是如何交互以進(jìn)行讀寫的。在接下來的幾節(jié)中，我們將更詳細(xì)地分析這其中的每個(gè)組件以及其交互。
從文件中讀取
在我們第一個(gè)練習(xí)中，我們將從一個(gè)文件中讀取一些數(shù)據(jù)。如果使用原來的 I/O，那么我們只需創(chuàng)建一個(gè) FileInputStream 并從它那里讀取。而在 NIO 中，情況稍有不同：我們首先從 FileInputStream 獲取一個(gè) FileInputStream 對象，然后使用這個(gè)通道來讀取數(shù)據(jù)。
在 NIO 系統(tǒng)中，任何時(shí)候執(zhí)行一個(gè)讀操作，您都是從通道中讀取，但是您不是直接從通道讀取。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)最終都駐留在緩沖區(qū)中，所以您是從通道讀到緩沖區(qū)中。
因此讀取文件涉及三個(gè)步驟：(1) 從 FileInputStream 獲取 Channel，(2) 創(chuàng)建 Buffer，(3) 將數(shù)據(jù)從 Channel 讀到 Buffer 中。
現(xiàn)在，讓我們看一下這個(gè)過程。
三個(gè)容易的步驟
第一步是獲取通道。我們從 FileInputStream 獲取通道：

復(fù)制代碼代碼如下:

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

下一步是創(chuàng)建緩沖區(qū)：

復(fù)制代碼代碼如下:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

最后，需要將數(shù)據(jù)從通道讀到緩沖區(qū)中，如下所示：

復(fù)制代碼代碼如下:

fc.read( buffer );

您會注意到，我們不需要告訴通道要讀多少數(shù)據(jù) 到緩沖區(qū)中。每一個(gè)緩沖區(qū)都有復(fù)雜的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)機(jī)制，它會跟蹤已經(jīng)讀了多少數(shù)據(jù)以及還有多少空間可以容納更多的數(shù)據(jù)
寫入文件
在 NIO 中寫入文件類似于從文件中讀取。首先從 FileOutputStream 獲取一個(gè)通道：

復(fù)制代碼代碼如下:

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

下一步是創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)并在其中放入一些數(shù)據(jù) - 在這里，數(shù)據(jù)將從一個(gè)名為 message 的數(shù)組中取出，這個(gè)數(shù)組包含字符串 "Some bytes" 的 ASCII 字節(jié)(本教程后面將會解釋 buffer.flip() 和 buffer.put() 調(diào)用)。

復(fù)制代碼代碼如下:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );  
 for (int i=0; i
     buffer.put( message[i] );  
}  
buffer.flip(); 

最后一步是寫入緩沖區(qū)中

復(fù)制代碼代碼如下:

fc.write( buffer );

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Java NIO工作原理的全面分析