Java NIO API详解

开发 后端
在JDK 1.4以前,Java的IO操作集中在java.io这个包中,是基于流的同步(blocking)API。对于大多数应用来说,这样的API使用很方便,然而,一些对性能要求较高的应用,尤其是服务端应用,往往需要一个更为有效的方式来处理IO。从JDK 1.4起,NIO API作为一个基于缓冲区,并能提供异步(non-blocking)IO操作的API被引入。本文对其进行深入的介绍。

NIO API主要集中在java.nio和它的subpackages中:

java.nio

定义了Buffer及其数据类型相关的子类。其中被java.nio.channels中的类用来进行IO操作的ByteBuffer的作用非常重要。

java.nio.channels

定义了一系列处理IO的Channel接口以及这些接口在文件系统和网络通讯上的实现。通过Selector这个类,还提供了进行异步IO操作的办法。这个包可以说是NIO API的核心。

java.nio.channels.spi

定义了可用来实现channel和selector API的抽象类。

java.nio.charset

定义了处理字符编码和解码的类。

java.nio.charset.spi

定义了可用来实现charset API的抽象类。

java.nio.channels.spi和java.nio.charset.spi这两个包主要被用来对现有NIO API进行扩展,在实际的使用中,我们一般只和另外的3个包打交道。下面将对这3个包一一介绍。

Package java.nio

这个包主要定义了Buffer及其子类。Buffer定义了一个线性存放primitive type数据的容器接口。对于除boolean以外的其他primitive type,都有一个相应的Buffer子类,ByteBuffer是其中最重要的一个子类。

下面这张UML类图描述了java.nio中的类的关系:

Buffer

定义了一个可以线性存放primitive type数据的容器接口。Buffer主要包含了与类型(byte, char…)无关的功能。值得注意的是Buffer及其子类都不是线程安全的。

每个Buffer都有以下的属性:

capacity

这个Buffer最多能放多少数据。capacity一般在buffer被创建的时候指定。

limit

在Buffer上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到buffer中时,limit一般和capacity相等,当读数据时,limit代表buffer中有效数据的长度。

position

读/写操作的当前下标。当使用buffer的相对位置进行读/写操作时,读/写会从这个下标进行,并在操作完成后,buffer会更新下标的值。

mark

一个临时存放的位置下标。调用mark()会将mark设为当前的position的值,以后调用reset()会将position属性设置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值,如果将position的值设的比mark小,当前的mark值会被抛弃掉。

这些属性总是满足以下条件:

0 <= mark <= position <= limit <= capacity

limit和position的值除了通过limit()和position()函数来设置,也可以通过下面这些函数来改变:

Buffer clear()

把position设为0,把limit设为capacity,一般在把数据写入Buffer前调用。

Buffer flip()

把limit设为当前position,把position设为0,一般在从Buffer读出数据前调用。

Buffer rewind()

把position设为0,limit不变,一般在把数据重写入Buffer前调用。

Buffer对象有可能是只读的,这时,任何对该对象的写操作都会触发一个ReadOnlyBufferException。isReadOnly()方法可以用来判断一个Buffer是否只读。

ByteBuffer

在Buffer的子类中,ByteBuffer是一个地位较为特殊的类,因为在java.io.channels中定义的各种channel的IO操作基本上都是围绕ByteBuffer展开的。

ByteBuffer定义了4个static方法来做创建工作:

ByteBuffer allocate(int capacity)

创建一个指定capacity的ByteBuffer。

ByteBuffer allocateDirect(int capacity)

创建一个direct的ByteBuffer,这样的ByteBuffer在参与IO操作时性能会更好(很有可能是在底层的实现使用了DMA技术),相应的,创建和回收direct的ByteBuffer的代价也会高一些。isDirect()方法可以检查一个buffer是否是direct的。

ByteBuffer wrap(byte [] array)
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)

把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer。

ByteBuffer定义了一系列get和put操作来从中读写byte数据,如下面几个:

byte get()
ByteBuffer get(byte [] dst)
byte get(int index)

ByteBuffer put(byte b)
ByteBuffer put(byte [] src)
ByteBuffer put(int index, byte b)

这些操作可分为绝对定位和相对定为两种,相对定位的读写操作依靠position来定位Buffer中的位置,并在操作完成后会更新position的值。

在其它类型的buffer中,也定义了相同的函数来读写数据,***不同的就是一些参数和返回值的类型。

除了读写byte类型数据的函数,ByteBuffer的一个特别之处是它还定义了读写其它primitive数据的方法,如:

int getInt()

从ByteBuffer中读出一个int值。

ByteBuffer putInt(int value)

写入一个int值到ByteBuffer中。

读写其它类型的数据牵涉到字节序问题,ByteBuffer会按其字节序(大字节序或小字节序)写入或读出一个其它类型的数据(int,long…)。字节序可以用order方法来取得和设置:

ByteOrder order()

返回ByteBuffer的字节序。

ByteBuffer order(ByteOrder bo)

设置ByteBuffer的字节序。

ByteBuffer另一个特别的地方是可以在它的基础上得到其它类型的buffer。如:

CharBuffer asCharBuffer()

为当前的ByteBuffer创建一个CharBuffer的视图。在该视图buffer中的读写操作会按照ByteBuffer的字节序作用到ByteBuffer中的数据上。

用这类方法创建出来的buffer会从ByteBuffer的position位置开始到limit位置结束,可以看作是这段数据的视图。视图buffer的readOnly属性和direct属性与ByteBuffer的一致,而且也只有通过这种方法,才可以得到其他数据类型的direct buffer。

ByteOrder

用来表示ByteBuffer字节序的类,可将其看成java中的enum类型。主要定义了下面几个static方法和属性:

ByteOrder BIG_ENDIAN

代表大字节序的ByteOrder。

ByteOrder LITTLE_ENDIAN

代表小字节序的ByteOrder。

ByteOrder nativeOrder()

返回当前硬件平台的字节序。

MappedByteBuffer

ByteBuffer的子类,是文件内容在内存中的映射。这个类的实例需要通过FileChannel的map()方法来创建。

接下来看看一个使用ByteBuffer的例子,这个例子从标准输入不停地读入字符,当读满一行后,将收集的字符写到标准输出:

  1. public static void main(String [] args) 
  2. throws IOException 
  3. // 创建一个capacity为256的ByteBuffer 
  4. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256); 
  5. while (true) { 
  6. // 从标准输入流读入一个字符 
  7. int c = System.in.read(); 
  8. // 当读到输入流结束时,退出循环 
  9. if (c == -1
  10. break
  11.  
  12. // 把读入的字符写入ByteBuffer中 
  13. buf.put((byte) c); 
  14. // 当读完一行时,输出收集的字符 
  15. if (c == '\n') { 
  16. // 调用flip()使limit变为当前的position的值,position变为0, 
  17. // 为接下来从ByteBuffer读取做准备 
  18. buf.flip(); 
  19. // 构建一个byte数组 
  20. byte [] content = new byte[buf.limit()]; 
  21. // 从ByteBuffer中读取数据到byte数组中 
  22. buf.get(content); 
  23. // 把byte数组的内容写到标准输出 
  24. System.out.print(new String(content)); 
  25. // 调用clear()使position变为0,limit变为capacity的值, 
  26. // 为接下来写入数据到ByteBuffer中做准备 
  27. buf.clear(); 

Package java.nio.channels

这个包定义了Channel的概念,Channel表现了一个可以进行IO操作的通道(比如,通过FileChannel,我们可以对文件进行读写操作)。java.nio.channels包含了文件系统和网络通讯相关的channel类。这个包通过Selector和SelectableChannel这两个类,还定义了一个进行异步(non-blocking)IO操作的API,这对需要高性能IO的应用非常重要。

下面这张UML类图描述了java.nio.channels中interface的关系:

Channel

Channel表现了一个可以进行IO操作的通道,该interface定义了以下方法:

boolean isOpen()

该Channel是否是打开的。

void close()

关闭这个Channel,相关的资源会被释放。

ReadableByteChannel

定义了一个可从中读取byte数据的channel interface。

int read(ByteBuffer dst)

从channel中读取byte数据并写到ByteBuffer中。返回读取的byte数。

WritableByteChannel

定义了一个可向其写byte数据的channel interface。

int write(ByteBuffer src)

从ByteBuffer中读取byte数据并写到channel中。返回写出的byte数。

ByteChannel

ByteChannel并没有定义新的方法,它的作用只是把ReadableByteChannel和WritableByteChannel合并在一起。

ScatteringByteChannel

继承了ReadableByteChannel并提供了同时往几个ByteBuffer中写数据的能力。

GatheringByteChannel

继承了WritableByteChannel并提供了同时从几个。

原文链接:http://306963591.iteye.com/blog/1040188

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责任编辑:林师授 来源: 306963591的博客
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