摘要: 本系列基于煉數成金課程，為了更好的學習，做了系列的記錄。 本文主要介紹

• 什么是NIO
• Buffer
• Channel
• 網絡編程
• AIO

IO感覺上和多線程并沒有多大關系，但是NIO改變了線程在應用層面使用的方式，也解決了一些實際的困難。而AIO是異步IO和前面的系列也有點關系。在此，為了學習和記錄，也寫一篇文章來介紹NIO和AIO。

1. 什么是NIO

NIO是New I/O的簡稱，與舊式的基于流的I/O方法相對，從名字看，它表示新的一套Java I/O標 準。它是在Java 1.4中被納入到JDK中的，并具有以下特性

• NIO是基于塊（Block）的，它以塊為基本單位處理數據 （硬盤上存儲的單位也是按Block來存儲，這樣性能上比基于流的方式要好一些）
• 為所有的原始類型提供（Buffer）緩存支持
• 增加通道（Channel）對象，作為新的原始 I/O 抽象
• 支持鎖（我們在平時使用時經常能看到會出現一些.lock的文件，這說明有線程正在使用這把鎖，當線程釋放鎖時，會把這個文件刪除掉，這樣其他線程才能繼續拿到這把鎖）和內存映射文件的文件訪問接口
• 提供了基于Selector的異步網絡I/O

所有的從通道中的讀寫操作，都要經過Buffer，而通道就是io的抽象，通道的另一端就是操縱的文件。

2. Buffer

Java中Buffer的實現。基本的數據類型都有它對應的Buffer

Buffer的簡單使用例子：

package test;import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel;public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception {FileInputStream fin = new FileInputStream(new File("d:\\temp_buffer.tmp"));FileChannel fc = fin.getChannel();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);fc.read(byteBuffer);fc.close();byteBuffer.flip();//讀寫轉換} }

得到Channel

申請Buffer

建立Channel和Buffer的讀/寫關系

關閉

下面的例子是使用NIO來復制文件：

public static void nioCopyFile(String resource, String destination)throws IOException {FileInputStream fis = new FileInputStream(resource);FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destination);FileChannel readChannel = fis.getChannel(); // 讀文件通道FileChannel writeChannel = fos.getChannel(); // 寫文件通道ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 讀入數據緩存while (true) {buffer.clear();int len = readChannel.read(buffer); // 讀入數據if (len == -1) {break; // 讀取完畢}buffer.flip();writeChannel.write(buffer); // 寫入文件}readChannel.close();writeChannel.close();}

這里要區別下容量和上限，比如一個Buffer有10KB，那么10KB就是容量，我將5KB的文件讀到Buffer中，那么上限就是5KB。

下面舉個例子來理解下這3個重要的參數：

public static void main(String[] args) throws Exception {ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(15); // 15個字節大小的緩沖區System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()+ " position=" + b.position());for (int i = 0; i < 10; i++) {// 存入10個字節數據b.put((byte) i);}System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()+ " position=" + b.position());b.flip(); // 重置positionSystem.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()+ " position=" + b.position());for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.print(b.get());}System.out.println();System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()+ " position=" + b.position());b.flip();System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()+ " position=" + b.position());}

此時position從0到10，capactiy和limit不變。

該操作會重置position，通常，將buffer從寫模式轉換為讀 模式時需要執行此方法 flip()操作不僅重置了當前的position為0，還將limit設置到當前position的位置 。

limit的意義在于，來確定哪些數據是有意義的，換句話說，從position到limit之間的數據才是有意義的數據，因為是上次操作的數據。所以flip操作往往是讀寫轉換的意思。

意義同上。

而Buffer中大多數的方法都是去改變這3個參數來達到某些功能的：

public final Buffer rewind() public final Buffer clear() public final Buffer flip()

2.1 文件映射到內存

public static void main(String[] args) throws Exception {RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("C:\\mapfile.txt", "rw");FileChannel fc = raf.getChannel();// 將文件映射到內存中MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0,raf.length());while (mbb.hasRemaining()) {System.out.print((char) mbb.get());}mbb.put(0, (byte) 98); // 修改文件raf.close();}

3. Channel

多線程網絡服務器的一般結構：

簡單的多線程服務器：

public static void main(String[] args) throws Exception {ServerSocket echoServer = null;Socket clientSocket = null;try {echoServer = new ServerSocket(8000);} catch (IOException e) {System.out.println(e);}while (true) {try {clientSocket = echoServer.accept();System.out.println(clientSocket.getRemoteSocketAddress()+ " connect!");tp.execute(new HandleMsg(clientSocket));} catch (IOException e) {System.out.println(e);}}}

這里的tp是一個線程池，HandleMsg是處理消息的類。

static class HandleMsg implements Runnable{ 省略部分信息 public void run(){ try { is = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())); os = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true); // 從InputStream當中讀取客戶端所發送的數據 String inputLine = null; long b=System. currentTimeMillis (); while ((inputLine = is.readLine()) != null){ os.println(inputLine); } long e=System. currentTimeMillis (); System. out.println ("spend:"+(e - b)+" ms "); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }finally{ 關閉資源 } } } public static void main(String[] args) throws Exception {Socket client = null;PrintWriter writer = null;BufferedReader reader = null;try {client = new Socket();client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8000));writer = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);writer.println("Hello!");writer.flush();reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));System.out.println("from server: " + reader.readLine());} catch (Exception e) {} finally {// 省略資源關閉}}

為每一個客戶端使用一個線程，如果客戶端出現延時等異常，線程可能會被占用很長時間。因為數據的準備和讀取都在這個線程中。此時，如果客戶端數量眾多，可能會消耗大量的系統資源。

解決方案:

使用非阻塞的NIO （讀取數據不等待，數據準備好了再工作）

為了體現NIO使用的高效。這里先模擬一個低效的客戶端來模擬因網絡而延時的情況：

private static ExecutorService tp= Executors.newCachedThreadPool(); private static final int sleep_time=1000*1000*1000; public static class EchoClient implements Runnable{ public void run(){ try { client = new Socket(); client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8000)); writer = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true); writer.print("H"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.print("e"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.print("l"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.print("l"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.print("o"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.print("!"); LockSupport.parkNanos(sleep_time); writer.println(); writer.flush(); }catch(Exception e){}}} spend:6000ms spend:6000ms spend:6000ms spend:6001ms spend:6002ms spend:6002ms spend:6002ms spend:6002ms spend:6003ms spend:6003ms while ((inputLine = is.readLine()) != null)

如果用NIO來處理這個問題會怎么做呢？

NIO有一個很大的特點就是：把數據準備好了再通知我

selector是一個選擇器，它可以選擇某一個Channel，然后做些事情。

一個線程可以對應一個selector，而一個selector可以輪詢多個Channel，而每個Channel對應了一個Socket。

與上面一個線程對應一個Socket相比，使用NIO后，一個線程可以輪詢多個Socket。

當selector調用select()時，會查看是否有客戶端準備好了數據。當沒有數據被準備好時，select()會阻塞。平時都說NIO是非阻塞的，但是如果沒有數據被準備好還是會有阻塞現象。

當有數據被準備好時，調用完select()后，會返回一個SelectionKey，SelectionKey表示在某個selector上的某個Channel的數據已經被準備好了。

只有在數據準備好時，這個Channel才會被選擇。

這樣NIO實現了一個線程來監控多個客戶端。

而剛剛模擬的網絡延遲的客戶端將不會影響NIO下的線程，因為某個Socket網絡延遲時，數據還未被準備好，selector是不會選擇它的，而會選擇其他準備好的客戶端。

selectNow()與select()的區別在于，selectNow()是不阻塞的，當沒有客戶端準備好數據時，selectNow()不會阻塞，將返回0，有客戶端準備好數據時，selectNow()返回準備好的客戶端的個數。

主要代碼：

package test;import java.net.InetAddress; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.Socket; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.channels.spi.AbstractSelector; import java.nio.channels.spi.SelectorProvider; import java.util.HashMap; import java.util.Iterator; import java.util.LinkedList; import java.util.Map; import java.util.Set; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors;public class MultiThreadNIOEchoServer {public static Map<Socket, Long> geym_time_stat = new HashMap<Socket, Long>();class EchoClient {private LinkedList<ByteBuffer> outq;EchoClient() {outq = new LinkedList<ByteBuffer>();}public LinkedList<ByteBuffer> getOutputQueue() {return outq;}public void enqueue(ByteBuffer bb) {outq.addFirst(bb);}}class HandleMsg implements Runnable {SelectionKey sk;ByteBuffer bb;public HandleMsg(SelectionKey sk, ByteBuffer bb) {super();this.sk = sk;this.bb = bb;}@Overridepublic void run() {// TODO Auto-generated method stubEchoClient echoClient = (EchoClient) sk.attachment();echoClient.enqueue(bb);sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);selector.wakeup();}}private Selector selector;private ExecutorService tp = Executors.newCachedThreadPool();private void startServer() throws Exception {selector = SelectorProvider.provider().openSelector();ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(8000);ssc.socket().bind(isa);// 注冊感興趣的事件，此處對accpet事件感興趣SelectionKey acceptKey = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);for (;;) {selector.select();Set readyKeys = selector.selectedKeys();Iterator i = readyKeys.iterator();long e = 0;while (i.hasNext()) {SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();i.remove();if (sk.isAcceptable()) {doAccept(sk);} else if (sk.isValid() && sk.isReadable()) {if (!geym_time_stat.containsKey(((SocketChannel) sk.channel()).socket())) {geym_time_stat.put(((SocketChannel) sk.channel()).socket(),System.currentTimeMillis());}doRead(sk);} else if (sk.isValid() && sk.isWritable()) {doWrite(sk);e = System.currentTimeMillis();long b = geym_time_stat.remove(((SocketChannel) sk.channel()).socket());System.out.println("spend:" + (e - b) + "ms");}}}}private void doWrite(SelectionKey sk) {// TODO Auto-generated method stubSocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();EchoClient echoClient = (EchoClient) sk.attachment();LinkedList<ByteBuffer> outq = echoClient.getOutputQueue();ByteBuffer bb = outq.getLast();try {int len = channel.write(bb);if (len == -1) {disconnect(sk);return;}if (bb.remaining() == 0) {outq.removeLast();}} catch (Exception e) {// TODO: handle exceptiondisconnect(sk);}if (outq.size() == 0) {sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);}}private void doRead(SelectionKey sk) {// TODO Auto-generated method stubSocketChannel channel = (SocketChannel) sk.channel();ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(8192);int len;try {len = channel.read(bb);if (len < 0) {disconnect(sk);return;}} catch (Exception e) {// TODO: handle exceptiondisconnect(sk);return;}bb.flip();tp.execute(new HandleMsg(sk, bb));}private void disconnect(SelectionKey sk) {// TODO Auto-generated method stub//省略略干關閉操作}private void doAccept(SelectionKey sk) {// TODO Auto-generated method stubServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) sk.channel();SocketChannel clientChannel;try {clientChannel = server.accept();clientChannel.configureBlocking(false);SelectionKey clientKey = clientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);EchoClient echoClinet = new EchoClient();clientKey.attach(echoClinet);InetAddress clientAddress = clientChannel.socket().getInetAddress();System.out.println("Accepted connection from "+ clientAddress.getHostAddress());} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}}public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubMultiThreadNIOEchoServer echoServer = new MultiThreadNIOEchoServer();try {echoServer.startServer();} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}}}

當用之前模擬的那個延遲的客戶端時，這次的時間消耗就在2ms到11ms之間了。性能提升是很明顯的。

總結：

NIO會將數據準備好后，再交由應用進行處理，數據的讀取/寫入過程依然在應用線程中完成，只是將等待的時間剝離到單獨的線程中去。

節省數據準備時間（因為Selector可以復用）

5. AIO

AIO的特點：

讀完了再通知我

不會加快IO，只是在讀完后進行通知

使用回調函數，進行業務處理

AIO的相關代碼：

AsynchronousServerSocketChannel

server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind( new InetSocketAddress (PORT)); public abstract <A> void accept(A attachment, CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,? super A> handler);

示例代碼：

server.accept(null,new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);public void completed(AsynchronousSocketChannel result,Object attachment) {System.out.println(Thread.currentThread().getName());Future<Integer> writeResult = null;try {buffer.clear();result.read(buffer).get(100, TimeUnit.SECONDS);buffer.flip();writeResult = result.write(buffer);} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();} catch (TimeoutException e) {e.printStackTrace();} finally {try {server.accept(null, this);writeResult.get();result.close();} catch (Exception e) {System.out.println(e.toString());}}}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Object attachment) {System.out.println("failed: " + exc);}});

這里使用了Future來實現即時返回，關于Future請參考上一篇

在理解了NIO的基礎上，看AIO，區別在于AIO是等讀寫過程完成后再去調用回調函數。

NIO是同步非阻塞的

AIO是異步非阻塞的

由于NIO的讀寫過程依然在應用線程里完成，所以對于那些讀寫過程時間長的，NIO就不太適合。

而AIO的讀寫過程完成后才被通知，所以AIO能夠勝任那些重量級，讀寫過程長的任務。

原文鏈接：https://my.oschina.net/hosee/blog/615269

總結

以上是生活随笔為你收集整理的NIO和AIO的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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