NIO和AIO

摘要: 本系列基于炼数成金课程，为了更好的学习，做了系列的记录。 本文主要介绍

• 什么是NIO
• Buffer
• Channel
• 网络编程
• AIO

IO感觉上和多线程并没有多大关系，但是NIO改变了线程在应用层面使用的方式，也解决了一些实际的困难。而AIO是异步IO和前面的系列也有点关系。在此，为了学习和记录，也写一篇文章来介绍NIO和AIO。

1. 什么是NIO

NIO是New I/O的简称，与旧式的基于流的I/O方法相对，从名字看，它表示新的一套Java I/O标 准。它是在Java 1.4中被纳入到JDK中的，并具有以下特性

• NIO是基于块（Block）的，它以块为基本单位处理数据 （硬盘上存储的单位也是按Block来存储，这样性能上比基于流的方式要好一些）
• 为所有的原始类型提供（Buffer）缓存支持
• 增加通道（Channel）对象，作为新的原始 I/O 抽象
• 支持锁（我们在平时使用时经常能看到会出现一些.lock的文件，这说明有线程正在使用这把锁，当线程释放锁时，会把这个文件删除掉，这样其他线程才能继续拿到这把锁）和内存映射文件的文件访问接口
• 提供了基于Selector的异步网络I/O

所有的从通道中的读写操作，都要经过Buffer，而通道就是io的抽象，通道的另一端就是操纵的文件。

2. Buffer

Java中Buffer的实现。基本的数据类型都有它对应的Buffer

Buffer的简单使用例子：

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();//读写转换    }}

1. 得到Channel
2. 申请Buffer
3. 建立Channel和Buffer的读/写关系
4. 关闭

下面的例子是使用NIO来复制文件：

public static void nioCopyFile(String resource, String destination)            throws IOException {        FileInputStream fis = new FileInputStream(resource);        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destination);        FileChannel readChannel = fis.getChannel(); // 读文件通道        FileChannel writeChannel = fos.getChannel(); // 写文件通道        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 读入数据缓存        while (true) {            buffer.clear();            int len = readChannel.read(buffer); // 读入数据            if (len == -1) {                break; // 读取完毕            }            buffer.flip();            writeChannel.write(buffer); // 写入文件        }        readChannel.close();        writeChannel.close();    }

这里要区别下容量和上限，比如一个Buffer有10KB，那么10KB就是容量，我将5KB的文件读到Buffer中，那么上限就是5KB。

下面举个例子来理解下这3个重要的参数：

public static void main(String[] args) throws Exception {        ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(15); // 15个字节大小的缓冲区        System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()                + " position=" + b.position());        for (int i = 0; i < 10; i++) {            // 存入10个字节数据            b.put((byte) i);        }        System.out.println("limit=" + b.limit() + " capacity=" + b.capacity()                + " position=" + b.position());        b.flip(); // 重置position        System.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());    }

此时position从0到10，capactiy和limit不变。

该操作会重置position，通常，将buffer从写模式转换为读 模式时需要执行此方法 flip()操作不仅重置了当前的position为0，还将limit设置到当前position的位置 。

limit的意义在于，来确定哪些数据是有意义的，换句话说，从position到limit之间的数据才是有意义的数据，因为是上次操作的数据。所以flip操作往往是读写转换的意思。

意义同上。

而Buffer中大多数的方法都是去改变这3个参数来达到某些功能的：

public final Buffer rewind()

public final Buffer clear()

public final Buffer flip()

2.1 文件映射到内存

public static void main(String[] args) throws Exception {        RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("C:\\mapfile.txt", "rw");        FileChannel fc = raf.getChannel();        // 将文件映射到内存中        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

多线程网络服务器的一般结构：

简单的多线程服务器：

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);            }        }    }

这里的tp是一个线程池，HandleMsg是处理消息的类。

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);                  // 从InputStream当中读取客户端所发送的数据                               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            {                  关闭资源             }             }      }

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 {            // 省略资源关闭        }    }

为每一个客户端使用一个线程，如果客户端出现延时等异常，线程可能会被占用很长时间。因为数据的准备和读取都在这个线程中。此时，如果客户端数量众多，可能会消耗大量的系统资源。

解决方案:

使用非阻塞的NIO （读取数据不等待，数据准备好了再工作）

为了体现NIO使用的高效。这里先模拟一个低效的客户端来模拟因网络而延时的情况：

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来处理这个问题会怎么做呢？

NIO有一个很大的特点就是：把数据准备好了再通知我

selector是一个选择器，它可以选择某一个Channel，然后做些事情。

一个线程可以对应一个selector，而一个selector可以轮询多个Channel，而每个Channel对应了一个Socket。

与上面一个线程对应一个Socket相比，使用NIO后，一个线程可以轮询多个Socket。

当selector调用select()时，会查看是否有客户端准备好了数据。当没有数据被准备好时，select()会阻塞。平时都说NIO是非阻塞的，但是如果没有数据被准备好还是会有阻塞现象。

当有数据被准备好时，调用完select()后，会返回一个SelectionKey，SelectionKey表示在某个selector上的某个Channel的数据已经被准备好了。

只有在数据准备好时，这个Channel才会被选择。

这样NIO实现了一个线程来监控多个客户端。

而刚刚模拟的网络延迟的客户端将不会影响NIO下的线程，因为某个Socket网络延迟时，数据还未被准备好，selector是不会选择它的，而会选择其他准备好的客户端。

selectNow()与select()的区别在于，selectNow()是不阻塞的，当没有客户端准备好数据时，selectNow()不会阻塞，将返回0，有客户端准备好数据时，selectNow()返回准备好的客户端的个数。

主要代码：

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;        }        @Override        public void run() {            // TODO Auto-generated method stub            EchoClient 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);        // 注册感兴趣的事件，此处对accpet事件感兴趣        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 stub        SocketChannel 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 exception            disconnect(sk);        }        if (outq.size() == 0) {            sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);        }    }    private void doRead(SelectionKey sk) {        // TODO Auto-generated method stub        SocketChannel 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 exception            disconnect(sk);            return;        }        bb.flip();        tp.execute(new HandleMsg(sk, bb));    }    private void disconnect(SelectionKey sk) {        // TODO Auto-generated method stub        //省略略干关闭操作    }    private void doAccept(SelectionKey sk) {        // TODO Auto-generated method stub        ServerSocketChannel 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 stub        MultiThreadNIOEchoServer echoServer = new MultiThreadNIOEchoServer();        try {            echoServer.startServer();        } catch (Exception e) {            // TODO: handle exception        }    }}

当用之前模拟的那个延迟的客户端时，这次的时间消耗就在2ms到11ms之间了。性能提升是很明显的。

总结：

1. NIO会将数据准备好后，再交由应用进行处理，数据的读取/写入过程依然在应用线程中完成，只是将等待的时间剥离到单独的线程中去。

2. 节省数据准备时间（因为Selector可以复用）

5. AIO

AIO的特点：

1. 读完了再通知我

2. 不会加快IO，只是在读完后进行通知

3. 使用回调函数，进行业务处理

AIO的相关代码：

AsynchronousServerSocketChannel

server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind( new InetSocketAddress (PORT));

public abstract <A> void accept(A attachment, CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,? super A> handler);

示例代码：

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());                            }                        }                    }                    @Override                    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {                        System.out.println("failed: " + exc);                    }                });

这里使用了Future来实现即时返回，关于Future请参考上一篇

在理解了NIO的基础上，看AIO，区别在于AIO是等读写过程完成后再去调用回调函数。

NIO是同步非阻塞的

AIO是异步非阻塞的

由于NIO的读写过程依然在应用线程里完成，所以对于那些读写过程时间长的，NIO就不太适合。

而AIO的读写过程完成后才被通知，所以AIO能够胜任那些重量级，读写过程长的任务。

原文链接：https://my.oschina.net/hosee/blog/615269