导读J2SE1.4以上版本号中公布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简介NIO库提供的一些新特性：非堵塞I/O，字符转换，缓冲以及通道。
一. 介绍 NIO NIO包（java.nio.*）引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。 1 ． Buffer：它是包括数据且用于读写的线形表结构。当中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。 2 ． Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。 3 ． Channels：包括socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。 4 ． Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中（它能够被看成是Unix中select（）函数或Win32中WaitForSingleEvent（）函数的面向对象版本号）。 二. 回想传统 在介绍NIO之前，有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例，传统方式须要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务（服务通常包含了处理请求并发送响应）图一是server的生命周期图，当中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O堵塞。 
图一
能够分析创建server的每一个详细步骤。首先创建 ServerSocket ServerSocket server=new ServerSocket（10000）； 然后接受新的连接请求 Socket newConnection=server.accept（）； 对于accept方法的调用将造成堵塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，server能够读客户socket中的请求。 InputStream in = newConnection.getInputStream(); InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in); BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader); Request request = new Request(); while(!request.isComplete()) { String line = buffer.readLine(); request.addLine(line); } 这种操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine（）方法在其缓冲区未满时会造成线程堵塞，仅仅有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，可是相同创建了一些字符串存储这些数据。尽管BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，可是全部的String非常快变成了垃圾须要回收。 相同的问题在发送响应代码中也存在 Response response = request.generateResponse(); OutputStream out = newConnection.getOutputStream(); InputStream in = response.getInputStream() ； int ch ； while(-1 != (ch = in.read())) { out.write(ch); } newConnection.close(); 类似的，读写操作被堵塞并且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，可是一旦使用缓冲，流又会产生很多其它的垃圾。 传统的解决方法 通常在Java中处理堵塞I/O要用到线程（大量的线程）。通常是实现一个线程池用来处理请求，如图二 
图二 线程使得server能够处理多个连接，可是它们也相同引发了很多问题。每一个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费非常大，并且非常多时间是浪费在堵塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。 三. 新 I/O 1． Buffer 传统的I/O不断的浪费对象资源（一般是String）。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它依据其类别仅仅包括唯一的数据类型。 java.nio.Buffer 类描写叙述 java.nio.ByteBuffer 包括字节类型。 能够从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写 java.nio.MappedByteBuffer 包括字节类型，直接在内存某一区域映射 java.nio.CharBuffer 包括字符类型，不能写入通道 java.nio.DoubleBuffer 包括double类型，不能写入通道 java.nio.FloatBuffer 包括float类型 java.nio.IntBuffer 包括int类型 java.nio.LongBuffer 包括long类型 java.nio.ShortBuffer 包括short类型 能够通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你能够创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地訪问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组訪问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲比如使用不论什么的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java数组基础上创建buffer。 2 ． 字符编码 向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，可是并没有处理字符转换。其实，ByteBuffer没有提供方法读写String。 Java.nio.charset.Charset 处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。 3 ． 通道 (Channel) 你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道能够觉得是一种连接，能够是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图例如以下 
图三 图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。 GatheringByteChannel 能够从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则能够一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还能够设置通道使其为堵塞或非堵塞I/O操作服务。 为了使通道可以同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或 Reader 4． Selector 在过去的堵塞I/O中，我们一般知道什么时候能够向stream中读或写，由于方法调用直到stream准备好时返回。可是使用非堵塞通道，我们须要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel能够注冊特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的随意一个selection方法时，它查看注冊了的通道看是否有不论什么感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注冊的通道的样例
四. 举例说明 1 ． 简单网页内容下载 这个样例很easy，类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。 package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException;
public class SocketChannelReader{ private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");// 创建UTF-8字符集 private SocketChannel channel;
public void getHTMLContent(){ try{ connect(); sendRequest(); readResponse(); }catch(IOException e){ System.err.println(e.toString()); }finally{ if(channel!=null){ try{ channel.close(); }catch(IOException e){} } } } private void connect()throws IOException{// 连接到 CSDN InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/); channel=SocketChannel.open(socketAddress); //使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上 // 相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用 }
private void sendRequest()throws IOException{ channel.write(charset.encode("GET " +"/document" +"\r\n\r\n"));// 发送GET请求到CSDN的文档中心 // 使用channel.write方法，它须要CharByte类型的參数，使用 //Charset.encode(String) 方法转换字符串。 }
private void readResponse()throws IOException{// 读取应答 ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲 while(channel.read(buffer)!=-1){ buffer.flip();//flip 方法在读缓冲区字节操作之前调用。 System.out.println(charset.decode(buffer)); // 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串 buffer.clear();// 清空缓冲 } }
public static void main(String [] args){ new SocketChannelReader().getHTMLContent(); } 2 ． 简单的加法server和客户机 server代码 package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException;
/** * SumServer.java * * * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumServer {
private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); private SocketChannel _clientChannel=null; private ServerSocketChannel _serverChannel=null;
public void start(){ try{ openChannel(); waitForConnection(); }catch(IOException e){ System.err.println(e.toString()); } }
private void openChannel()throws IOException{ _serverChannel=ServerSocketChannel.open(); _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000)); System.out.println(" server通道已经打开 "); }
private void waitForConnection()throws IOException{ while(true){ _clientChannel=_serverChannel.accept(); if(_clientChannel!=null){ System.out.println(" 新的连接增加 "); processRequest(); _clientChannel.close(); } } }
private void processRequest()throws IOException{ _buffer.clear(); _clientChannel.read(_buffer); int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1); _buffer.flip(); _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,result); _clientChannel.write(_buffer); }
public static void main(String [] args){ new SumServer().start(); } } // SumServer 客户代码 package examples.nio;
import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException;
/** * SumClient.java * * * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumClient {
private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer; private SocketChannel _channel;
public SumClient() { _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); } // SumClient constructor public int getSum(int first,int second){ int result=0; try{ _channel=connect(); sendSumRequest(first,second); result=receiveResponse(); }catch(IOException e){System.err.println(e.toString()); }finally{ if(_channel!=null){ try{ _channel.close(); }catch(IOException e){} } } return result; }
private SocketChannel connect()throws IOException{ InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("localhost",10000); return SocketChannel.open(socketAddress); } private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{ _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,first); _intBuffer.put(1,second); _channel.write(_buffer); System.out.println(" 发送加法请求 "+first+"+"+second); } private int receiveResponse()throws IOException{ _buffer.clear(); _channel.read(_buffer); return _intBuffer.get(0); }
public static void main(String [] args){ SumClient sumClient=new SumClient(); System.out.println(" 加法结果为 :"+sumClient.getSum(100,324)); } } // SumClient 3 ． 非堵塞的加法server 首先在openChannel方法中增加语句 _serverChannel.configureBlocking(false);// 设置成为非堵塞模式
重写WaitForConnection方法的代码例如以下，使用非堵塞方式 private void waitForConnection()throws IOException{ Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();
/* 在server套接字上注冊selector并设置为接受accept方法的通知。 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表 上，因此，同意多元非堵塞I/O发生。 */ SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT); int keysAdded = 0; /*select方法在不论什么上面注冊了的操作发生时返回 */ while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) { // 某客户已经准备好能够进行I/O操作了，获取其ready键集合 Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys(); Iterator i = readyKeys.iterator();
// 遍历ready键集合，并处理加法请求 while (i.hasNext()) { SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next(); i.remove(); ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel)sk.channel(); // 接受加法请求并处理它 _clientSocket = nextReady.accept().socket(); processRequest(); _clientSocket.close(); } } }
參考资料 1 ． <Master Merlin's new I/O classes> From <http://www.javawordl.com/> 2． J2SE1.4.2 API Specification From <http://java.sun.com/> 3． <Working with SocketChannels> From <http://developer.java.sun.com/developer> 4. NIO Examples From <http://java.sun.com/>