Java nio剖析

shaobin0604@163.com 2007-03-24

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java nio的全稱是java new I/O，即一個全新的I/O控制系統(tǒng)，它的API的包名為java.nio，是在jdk1.4后引入的。

nio之所以為為新，在于它并沒在原來I/O的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，而是提供了全新的類和接口，除了原來的基本功能之外，它還提供了以下新的特征：

多路選擇的非封鎖式I/O設(shè)施

支持文件鎖和內(nèi)存映射

支持基于Perl風(fēng)格正則表達式的模式匹配設(shè)施

字符集編碼器和譯碼器

為了支持這些新的功能，nio使用了兩個新的概念：

1. 信道(channel)

信道是一個連接，可用于接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，如文件和套接字。因為信道連接的是底層的物理設(shè)備，他可以直接支持設(shè)備的讀/寫，或提供文件鎖。對于文件、管道、套接字都存在相應(yīng)的信道類?？梢园研诺揽闯墒菙?shù)據(jù)流的替代品。信道沒有包裝類，提高了性能。

所有的信道類都位于java.nio.channels包中。

2. 緩沖區(qū)(buffer)

緩沖區(qū)是一個數(shù)據(jù)容器?？梢园阉醋鰞?nèi)存中的一個大的數(shù)組，用來存儲來自信道的同一類型的所有數(shù)據(jù)，因此，程序員可以使用字節(jié)、字符、整數(shù)等緩沖區(qū)。字節(jié)緩沖區(qū)提供必要的方法，可以提取或存入所有基本類型(boolean型除外)的數(shù)據(jù)。

buffer類的核心是一塊內(nèi)存區(qū)，便于核心代碼和java代碼同時訪問，核心代碼可以直接訪問它，java代碼可以通過API訪問它。

緩沖區(qū)基本上是一塊內(nèi)存區(qū)域，因而可以執(zhí)行一些與內(nèi)存有關(guān)的操作，如清除其中的內(nèi)容，支持讀寫或只讀操作等。

所有的buffer類都位于java.nio包中。

下面看如何使用它們：

1. 使用信道

在信道的使用中，文件的信道是最具有代表性的，API也是最多的，下面我們以文件信道為例介紹它。

● 獲取文件信道

文件的信道的類為FileChannel,遺憾的是他并沒有向我們提供打開文件的方法，我們可以通過調(diào)用FileInputStream、FileOutputStream和RandomAccessFile類實例的getChannel()方法來獲取其實例。例如：

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(“data.txt”, “rw”);

FileChannel fc = raf.getChannel();

請注意，這里打開文件的方式如”rw”將適用于文件信道，FileInputStream實例的getChannel()方法所獲得的通道將允許進行讀取操作。通過FileOutputStream的getChannel方法所獲得的通道將允許進行寫入操作。最后，如果使用模式 "r" 創(chuàng)建 RandomAccessFil的實例，則通過該實例的getChannel()方法所獲得的通道將允許進行讀取操作，如果使用模式 "rw" 創(chuàng)建實例，則獲得的通道將允許進行讀取和寫入操作。

● 從信道讀取數(shù)據(jù)

讀取的數(shù)據(jù)會默認(rèn)放到字節(jié)緩沖區(qū)中。

FileChannel提供了四個API讀取數(shù)據(jù)：

a. read(ByteBuffer dst) 將字節(jié)序列從此通道讀入給定的緩沖區(qū)

b. read(ByteBuffer[] dsts) 將字節(jié)序列從此通道讀入給定的緩沖區(qū)

c. read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
將字節(jié)序列從此通道讀入給定緩沖區(qū)的子序列中

d. read(ByteBuffer dst, long position)
從給定的文件位置開始，從此通道讀取字節(jié)序列,并寫入給定的緩沖區(qū)

● 向信道寫入數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源默認(rèn)是字節(jié)緩沖區(qū)。

FileChannel提供了四個API寫入數(shù)據(jù)：

a. write(ByteBuffer src)
將字節(jié)序列從給定的緩沖區(qū)寫入此通道

b. write(ByteBuffer[] srcs)
將字節(jié)序列從給定的緩沖區(qū)寫入此通道

c. write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
將字節(jié)序列從給定緩沖區(qū)的子序列寫入此通道

d. write(ByteBuffer src, long position)
從給定的文件位置開始，將字節(jié)序列從給定緩沖區(qū)寫入此通道

● 使用文件鎖

文件鎖機制主要是在多線程同時讀寫某個文件資源時使用。

FileChannel提供了兩種加鎖機制，lock和tryLock,兩者的區(qū)別在于，lock是同步的，

直至成功才返回，tryLock是異步的，無論成不成功都會立即返回。

● 使用內(nèi)存映射

FileChannel提供的的API為：

MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long position, long size);

映射模式一個有三種：

a.只讀：試圖修改得到的緩沖區(qū)將導(dǎo)致拋出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)

b.讀/寫：對得到的緩沖區(qū)的更改最終將傳播到文件；該更改對映射到同一文件的其他程序不一定是可見的。 (MapMode.READ_WRITE)

c.專用：對得到的緩沖區(qū)的更改不會傳播到文件，并且該更改對映射到同一文件的其他程序也不是可見的；相反，會創(chuàng)建緩沖區(qū)已修改部分的專用副本。 (MapMode.PRIVATE)

2.      使用緩沖區(qū)

●     層次結(jié)構(gòu)

所有緩沖區(qū)的基類都是Buffer,除Boolean類型外，其它數(shù)據(jù)類型都有對應(yīng)的緩沖區(qū)類，

另有一個ByteOrder類，用來設(shè)置緩沖區(qū)的大小端順序，即BigEndian或者是LittleEndian，

默認(rèn)情況下是BigEndian。其層次結(jié)構(gòu)圖如下：

●     獲取緩沖區(qū)對象

一共有兩種類型的緩沖區(qū)，直接緩沖區(qū)和非直接緩沖區(qū)，兩者區(qū)別在于直接緩沖區(qū)上的數(shù)據(jù)操作，

虛擬機將盡量使用本機I/O,并盡量避免使用中間緩沖區(qū)。判斷一個緩沖區(qū)是否是直接緩沖區(qū)，

可以調(diào)用isDirect()方法。

有三種方式來獲取一個緩沖區(qū)的對象：

a.      調(diào)用allocate()或者allocateDirect()方法直接分配，其中allocateDirect()

返回的是直接緩沖區(qū)。

b.      包裝一個數(shù)組，如：

byte[] b = new byte[1024];

ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(b);

c.       內(nèi)存映射，即調(diào)用FileChannel的map()方法。

●     緩沖區(qū)基本屬性

這幾個屬性是每個緩沖區(qū)都有的并且是常用的操作。

a.     容量(capacity),緩沖區(qū)大小

b.      限制(limit),第一個不應(yīng)被讀取或?qū)懭氲淖止?jié)的索引，總是小于容量。

c.       位置(position)，下一個被讀取或?qū)懭氲淖止?jié)的索引，總是小于限制。

d.      clear()方法：設(shè)置limit為capacity，position為0。

e.      filp()方法：設(shè)置limit為當(dāng)前position，然后設(shè)置position為0。

f.        rewind()方法：保持limit不變，設(shè)置position為0。

●     緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作

操作包括了讀取和寫入數(shù)據(jù)兩種。

讀取數(shù)據(jù)使用get()及其系列方法，除boolean外，每一種類型包括了對應(yīng)的get()方法，

如getInt(),getChar()等，get()方法用來讀取字節(jié)，支持相對和絕對索引兩種方式。

寫入數(shù)據(jù)使用put()及其系列方法，和get()方法是對應(yīng)的。

           下面這個例子演示了如何使用緩沖區(qū)和信道：



package nio;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class BufferDemo ...{

    
    public static void main(String[] args) throws Exception...{
        //分配一個非直接緩沖區(qū)
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(100);
        //向緩沖區(qū)寫入0到100的字節(jié)制
        for(int i = 0; i <100; i++)...{
            byte b = (byte) (Math.random() * 100);
            bb.put(b);
        }
        
        System.out.println("寫入文件前的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)");
        bb.flip();
        while(bb.hasRemaining())
            System.out.print(bb.get() + " ");
        System.out.println();
        
        //獲取一個關(guān)聯(lián)到文件buffer.txt的信道
        FileChannel fc = new FileOutputStream("buffer.txt").getChannel();
        //將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫到文件中
        bb.flip();
        fc.write(bb);
        //防止緩存
        fc.force(true);
        //關(guān)閉信道
        fc.close();
        bb = null;
        fc = null;
        
        //下面從文件中讀取數(shù)據(jù)
        fc = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        ByteBuffer bb2 = ByteBuffer.allocate((int) fc.size());
        fc.read(bb2);
        System.out.println("從文件讀取的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)");
        bb2.flip();
        while(bb2.hasRemaining())
            System.out.print(bb2.get() + " ");
        System.out.println();
        fc.close();
        bb2 = null;
        fc = null;
        

    }

}

         3．視圖緩沖區(qū)

         上面我們的緩沖區(qū)都是基于字節(jié)的，像IntBuffer、LongBuffer等這些都可以調(diào)用ByteBuffer的

         as***Buffer(***表示某個數(shù)據(jù)類型)得到，所以這種類型的緩沖區(qū)又被稱為視圖緩沖區(qū)(View Buffer),

       視圖緩沖區(qū)有以下特點：

a.     視圖緩沖區(qū)有自己獨立的position和limit，但它不是一個新的創(chuàng)建，只是原來字節(jié)緩沖區(qū)的一個邏輯緩沖區(qū)，字節(jié)緩沖區(qū)的任何修改都會影響視圖緩沖區(qū)，反之亦然。

b.      視圖緩沖區(qū)按照數(shù)據(jù)類型的大小進行索引，而不是字節(jié)順序。

c.       也提供了put()和get()及其系列方法，用于數(shù)據(jù)的整塊傳輸。

       下面這個例子演示了視圖緩沖區(qū)：



package nio;

import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class ViewBufferDemo ...{

    public static void main(String[] args) throws Exception...{
        
        //將文件內(nèi)容讀到緩沖區(qū)中
        FileChannel fc = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate((int) fc.size());
        fc.read(bb);
        fc.close();
        fc = null;
        
        System.out.println("從文件讀取的字節(jié)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)");
        bb.flip();
        while(bb.hasRemaining())
            System.out.print(bb.get() + " ");
        System.out.println();
        
        //獲取視圖緩沖區(qū)
        bb.flip();
        IntBuffer ib = bb.asIntBuffer();
        System.out.println("將字節(jié)緩沖區(qū)作為整形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)");
        while(ib.hasRemaining())
            System.out.print(ib.get() + " ");
        System.out.println();
        
        bb = null;
        ib = null;
        
    }

}

       4．映射內(nèi)存緩沖區(qū)

         調(diào)用信道的map()方法后，即可將文件的某一部分或全部映射到內(nèi)存中，映射內(nèi)存緩沖區(qū)是一

         個直接緩沖區(qū)，繼承自ByteBuffer,但相對于ByteBuffer,它有更多的優(yōu)點：

a.     內(nèi)存映射I/O是對信道/緩沖區(qū)技術(shù)的改進。 當(dāng)傳輸大量的數(shù)據(jù)時，內(nèi)存映射I/O

速度相對較快，這是因為它使用虛擬內(nèi)存把文件傳輸?shù)竭M程的地址空間中。

b.      映射內(nèi)存也成為共享內(nèi)存，因此可以用于相關(guān)進程(均映射同一文件)之間的整塊數(shù)據(jù)

傳輸，這些進程甚至可以不必位于同一系統(tǒng)上，只要每個都可以訪問同一文件即可。

c.       當(dāng)對FileChannel執(zhí)行映射操作，把文件映射到內(nèi)存中時，得到的是一個連接到文件的

映射的字節(jié)緩沖區(qū)，這種映射的結(jié)果是，當(dāng)輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容時，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在文件中，

當(dāng)讀入緩沖區(qū)時，相當(dāng)于得到文件中的數(shù)據(jù)。

        下面這個例子演示了映射內(nèi)存：


package nio;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class CopyFile ...{

    public static void main(String[] args) throws Exception ...{

        FileChannel fIChan, fOChan;
        MappedByteBuffer mBuf;

        fIChan = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        fOChan = new FileOutputStream("bufferTemp.txt").getChannel();

        mBuf = fIChan.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fIChan.size());

        fOChan.write(mBuf);

        fIChan.close();
        fOChan.close();
        
        fIChan = null;
        fOChan = null;
        mBuf = null;

    }

}