JAVANIO學習筆記1-架構簡介

北島知寒發表於2016-10-31
Java筆記架構

最近專案中遇到不少NIO相關知識，之前對這塊接觸得較少，算是我的一個盲區，打算花點時間學習，簡單做一點個人學習總結。

簡介

NIO（New IO）是JDK1.4以後推出的全新IO API，相比傳統IO方式NIO採用了全新的底層I/O模型。傳統IO的設計概念是面向流，而NIO則是面向塊。簡單點說，傳統I/O是基於位元組的，所有I/O都被視為單個位元組的移動，使用時需先把物件轉換為位元組碼；而NIO是面向塊的，以塊為單位處理資料，每個操作會生成或消費一個塊的資料。從設計理念來看，NIO的操作粒度要比傳統IO大很多，採用這種方式效能有很大提高，但也犧牲了java操作的優雅和簡潔。

核心模組

Java NIO 由以下三個核心模組組成：

  • Selector
  • Channel
  • Buffer

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Selector

執行緒的花銷很大，selector幫助開發者突破IO的瓶頸，它提供了單執行緒處理多個 Channel的機制。如果你的應用開啟了多個連線（通道），但每個連線的流量都很低，使用Selector就會很方便。

這是在一個單執行緒中使用一個Selector處理3個Channel的圖示：

overview_selectors

要使用Selector，得先向Selector註冊Channel，然後呼叫它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，執行緒就可以處理這些事件，事件的例子有如新連線進來，資料接收等。

使用Selector，先得向Selector註冊Channel，然後呼叫它的select()方法，這個方法會一直阻塞直到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，執行緒就可以處理這些事件。

Channel

Channel是一個物件，可以通過它讀取和寫入資料，所有的IO在NIO中都從一個Channel 開始。Channel中的資料要麼寫入Buffer，要麼從Buffer讀取。拿 NIO 與原來的 I/O 做個比較，Channel就像是流。所有資料都通過Buffer物件來處理，NIO不會將位元組直接寫入通道中，相反，它是將資料寫入包含一個或者多個位元組的緩衝區。同樣，您不會直接從通道中讀取位元組，而是將資料從通道讀入緩衝區，再從緩衝區獲取這個位元組。
通道與流的不同之處在於通道是雙向的，而流只是在一個方向上移動(一個流必須是 InputStream 或者 OutputStream 的子類)， 而 通道可以用於讀、寫或者同時用於讀寫。因此，通道可以比流更好地反映底層作業系統的真實情況。特別是在UNIX模型中，底層作業系統通道是雙向的。

常用的Channel:

  • FileChannel：File
  • DatagramChannel：UDP
  • ScoketChannel：TCP
  • ServerSocketChannel：監聽TCP連線

Buffer

Buffer與Channel的關係如下圖：

scatter

Buffer也是NIO的一個亮點，傳統的IO操作面向資料流，意味著每次從流中讀一個或多個位元組，直至完成，資料沒有被快取在任何地方。NIO操作面向緩衝區，資料從Channel讀取到Buffer緩衝區，隨後在Buffer中處理資料。

Buffer其實就是一塊快取區，內部使用位元組陣列儲存資料，並維護幾個特殊變數，實現資料的反覆利用。

目前Buffer的實現類有以下幾種：

  • ByteBuffer
  • CharBuffer
  • DoubleBuffer
  • FloatBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • ShortBuffer
  • MappedByteBuffer

這些都是抽象類，針對各自的應用場景，下面又有很多子類，功能強大。

思考總結

一般我們在工作中遇到NIO相關的場景時，大多都有封裝好的三方庫，但並不是說就沒必要了解其實現原理，知其然而不知其所以然用著也會心虛。

另外，學習優秀的開源專案是提升個人能力的一個有效方法，研究原始碼可以從以下幾個點入手（個人認為）：

  • 架構文件 （在腦中建立框架圖）
  • 示例程式碼與單元測試（知道具體介面使用細節）
  • 具體模組實現程式碼（資料結構 – public方法 – private方法）


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